Il ruolo dell’articolazione femoro-rotulea nell ... · Capitolo 1: Anatomia e biomeccanica del ginocchio ... muscolare del ginocchio ha il compito primario di far muovere e bloccare

ALMA MATER STUDIORUM – UNIVERSITÀ DI BOLOGNA

CAMPUS DI CESENA

SCUOLA DI INGEGNERIA E ARCHITETTURA

CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA BIOMEDICA

Il ruolo dell’articolazione femoro-rotulea

nell’artroplastica totale di ginocchio

durante chirurgia comuter assistita:

analisi cinematica in-vivo su un campione di pazienti

Elaborato in

Biomeccanica della funzione motoria

Relatore Presentata da

Prof. Belvedere Claudio

Comini Federica

Correlatore

Prof. Leardini Alberto

Sessione II°

Anno Accademico 2014/2015

i

Indice

Introduzione ....................................................................................................................................... 1

Capitolo 1: Anatomia e biomeccanica del ginocchio ............................................................ 4

1.1 Anatomia del ginocchio ................................................................................................... 4

1.1.1 Strutture ossee ...................................................................................................... 4

1.1.2 Strutture fibro-legamentose, strutture fibro-cartilaginee e muscoli .................... 8

1.2 Biomeccanica del ginocchio ........................................................................................... 11

1.2.1 Definizione del sistema di riferimento articolare di ginocchio .......................... 11

1.2.2 Cinematica dell’articolazione tibio-femorale .................................................... 14

1.2.3 Cinematica dell’articolazione femoro-rotulea ................................................... 16

1.2.4 Funzioni della rotula .......................................................................................... 17

1.2.5 Patellar tracking ................................................................................................. 18

Capitolo 2: Artroplastica totale di ginocchio ...................................................................... 22

2.1 Generalità ....................................................................................................................... 22

2.2 Disegni protesici di ginocchio ........................................................................................ 23

2.3 Ricopertura della rotula ................................................................................................. 26

INDICE

ii

2.4 Forme, materiali e modalità di fissazione della componente rotulea ............................. 27

2.5 Materiali utilizzati e fissazione delle componenti protesiche ....................................... 30

2.6 Cause di fallimento ....................................................................................................... 31

Capitolo 3: Materiali e metodi ............................................................................................. 32

3.1 Generalità ....................................................................................................................... 32

3.2 Navigatore chirurgico ..................................................................................................... 33

3.3 Protocollo d’uso per la navigazione standard del ginocchio .......................................... 36

3.3.1 Fase preparatoria ................................................................................................ 36

3.3.2 Quadro anatomico generale (Anatomical Survey) ............................................. 37

3.3.3 Cinematica iniziale ............................................................................................ 40

3.3.4 Navigazione tramite le guide di taglio strumentate ............................................ 41

3.3.5 Cinematica intra-operatoria ................................................................................ 43

3.3.6 Rapporto finale ................................................................................................... 43

3.4 Aspetti innovativi per lo studio del tracking rotuleo con la navigazione chirurgica ..... 44

3.5 Protocollo per la ricopertura della rotula con il navigatore per la ricerca ...................... 47

3.6 Post- processing ............................................................................................................. 63

Capitolo 4: Risultati ............................................................................................................. 65

4.1 Risultati post-operatori .................................................................................................. 65

4.2 Osservazioni cinematiche .............................................................................................. 74

4.3 Ripetibilità inter-soggetto .............................................................................................. 76

INDICE

iii

Capitolo 5: Discussione dei risultati ..................................................................................... 80

5.1 Discussione dei risultati .................................................................................................. 80

5.1.1 Analisi cinematica e statistica ............................................................................. 80

5.1.2 Limiti .................................................................................................................. 81

5.1.3 Sviluppi futuri ..................................................................................................... 81

5.2 Conclusioni ..................................................................................................................... 82

Bibliografia ............................................................................................................................. 84

Ringraziamenti ...................................................................................................................... 88

1

Introduzione

L’artroplastica totale di ginocchio (TKA: Total Knee Arthroplasty) è un intervento

chirurgico che consiste nella ricostruzione dei capi articolari lesi con l’inserimento di una

protesi, al fine di ripristinare la mobilità articolare diminuita o cessata da determinate

patologie. L’artrosi, o osteoartrosi, è una malattia cronico-degenerativa che consiste in una

sorta di usura della cartilagine articolare provocando dolore, gonfiore, deformazione e, negli

stadi più avanzati, immobilità dell’articolazione colpita. L’artrosi del ginocchio è la causa più

frequente per l’impianto di una protesi. Dopo aver effettuato esami clinici accurati e quando i

metodi di conservazione non riescono a procurare il sollievo desiderato, il chirurgo

ortopedico può decidere di sottoporre tali pazienti ad un intervento di artroplastica totale di

ginocchio.

Il modello di protesi totale per il ginocchio prevede la sostituzione delle parti danneggiate

dell’epifisi femorale, dell’epifisi tibiale e, nel caso di protesi tricompartimentale, della parte

posteriore della rotula. La ricopertura della patella nell’artroplastica totale di ginocchio è una

questione ancora dibattuta [10, 12, 15, 34]. Tale procedura è comunque spesso eseguita,

poichè è stato riscontrato che molti fallimenti di impianti protesici erano da ricondurre alla

mancata ricopertura della rotula [10, 11].

Per il successo della artroplastica totale di ginocchio occorre allineare correttamente le

componenti protesiche e bilanciare opportunamente i tessuti molli. A tal fine, nel settore

ortopedico si sono sviluppati negli anni 90’ i sistemi di navigazione chirurgica nell’ambito

della chirurgia assistita al computer (CAS). Questi sistemi consentono di guidare il chirurgo,

su supporto stereofotogrammetrico, negli interventi di sostituzione protesica di ginocchio,

generalmente per fissare le componenti femorali e tibiali. Di fatto, con l’ausilio di un sistema

di navigazione chirurgica, è possibile misurare intra-operatoriamente le variabili cinematiche

standard dell’articolazione tibio-femorale; queste misure forniscono un aiuto importante al

chirurgo nella scelta dell’allineamento delle componenti protesiche grazie alla stima

http://www.corriere.it/salute/dizionario/intervento_chirurgico/index.shtml

http://www.corriere.it/salute/dizionario/intervento_chirurgico/index.shtml

INTRODUZIONE

2

dell’originale cinematica del ginocchio e consentono di poter individuare i comportamenti

patologici quindi di correggerli grazie al continuo feed-back dal sistema. Diversi studi

dimostrano che, durante la TKA, l’utilizzo di un sistema di navigazione incrementa

l'allineamento dell' impianto protesico rispetto alla tecnica convenzionale [19, 20, 29, 30, 31].

Tali sistemi sono in grado di generare misurazioni precise, accurate e riproducibili al fine di

aumentare le aspettative a lungo termine dell’impianto.

Il ruolo dell’articolazione femoro-rotulea nell’artroplastica totale di ginocchio è molto

importante in quanto è stato riscontrato che le complicazioni a tale articolazione

rappresentano una delle principali cause di fallimento dell’impianto protesico [15, 32, 33,

35]. Di fatto gli esiti di questo intervento dipendono dalla conservazione dello spessore

originario della rotula poiché da esso dipende: l’allineamento e la funzionalità articolare, lo

stress da contatto, le forze di taglio e i rischi di frattura. Altri importanti parametri chirurgici

che devono essere controllati, soprattutto durante la ricopertura della rotula, riguardano il

bilanciamento dell’apparato estensore e la resezione simmetrica della rotula cioè parallela al

piano frontale della stessa. Monitorando intra-operativamente movimenti e le posizioni della

rotula, insieme alle variabili cinematiche standard dell’articolazione tibio-femorale, il

chirurgo ha una vista più completa dell’impianto finale aumentando l’accuratezza e le

aspettative a lungo termine della protesi.

Il tracking rotuleo, definito come il tracciamento dei movimenti della rotula relativamente al

femore o alla troclea femorale durante i movimenti di flesso-estensione del ginocchio, è stato

recentemente studiato in-vitro con diversi metodi e differenti sistemi di misura [22, 23, 24].

Tuttavia la complessità sia della geometria rotulea che dei pattern di moto della rotula, rende

difficoltosa la misura in-vivo del tracking rotuleo soprattutto nel contesto della TKA.

Presso l’Istituto Ortopedico Rizzoli (Bologna) è stato esteso il software per la navigazione

standard della TKA, sono stati realizzati strumenti ad hoc adatti all’anatomia della rotula e

infine è stato stilato un protocollo sperimentale per la procedura chirurgica fino

all’ottenimento dell’approvazione, da parte del Comitato Etico, sia dello strumentario che del

protocollo stesso. Sempre presso questo Istituto, una volta assicurati della fattibilità della

navigazione della rotula durante la TKA in uno studio in-vitro [3], si è passati alla

sperimentazione in-vivo con i primi dieci casi al mondo [6]. Tale lavoro ha portato a risultati

positivi riguardo la fattibilità di tale tecnica. Tuttavia sono necessarie più prove per testare la

funzionalità di questo nuovo metodo di navigazione rotulea e per, in futuro, adottarla ad uso

clinico insieme al navigatore standard tibio-femorale. Questo lavoro di tesi è nato quindi per

arricchire il numero di casi, eseguiti con le medesime procedure, al fine di dimostrare che tale

INTRODUZIONE

3

tecnica di tracking rotuleo, unitamente alla tecnica convenzionale, serve ad avere una

maggiore accuratezza durante la TKA e quindi a ripristinare la cinematica fisiologica del

ginocchio del paziente.

In questo elaborato è stata riportata l’analisi cinematica delle articolazioni del ginocchio,

tibio-femorale e femoro-rotulea, di un campione consistente di pazienti sottoposti ad

artroplastica totale di ginocchio con il supporto della navigazione standard e della rotula.

Saranno riportati quindi i risultati relativi a venti casi in-vivo, dell’applicazione di tale

procedura, realizzati presso l’Istituto Ortopedico Rizzoli dal Luglio 2010 all’ Aprile 2014. In

particolare, verranno analizzati i dati estrapolati dal sistema di navigazione chirurgica della

Stryker-Leibinger (Stryker®, Freiburg im Breisgau, Germania) utilizzato. Per supportare tale

studio sarà riportata la power analysis sul campione di pazienti.

La tesi è così strutturata: nel capitolo 1 è descritta brevemente sia l’anatomia che la

biomeccanica del ginocchio per comprendere al meglio la complessità anatomica e

funzionale dell’articolazioni tibio-femorale e femoro-rotulea. Successivamente, nel capitolo

2, è trattata l’artroplastica toltale di ginocchio dal punto di vista dei disegni protesici con

particolare attenzione rivolta alla ricopertura della rotula. Nel capitolo 3, sono riportati i

protocolli sia per la navigazione standard, sia per lo studio in-vivo del tracking rotuleo,

utilizzati durante l’artroplastica totale del ginocchio dei pazienti. Sempre in questo capitolo è

descritta la fase di post-processing dei dati per il calcolo dei parametri cinematici. Nel

capitolo 4 sono forniti i risultati delle variabili cinematiche analizzate e della ripetibilità inter-

soggetto. Infine nel capitolo 5 è riportata la discussione dei risultati raggiunti e la conclusione

a riguardo.

4

Capitolo1

Anatomia e biomeccanica del ginocchio

1.1 Anatomia del ginocchio

L‟articolazione del ginocchio è una delle articolazioni più grandi e robuste del corpo umano.

I capi ossei che costituiscono l‟articolazione del ginocchio sono tre: l‟epifisi distale del

femore, l‟epifisi prossimale della tibia e la rotula. Inoltre, nel ginocchio, possiamo

riconoscere l‟apparato capsulo-legamentoso e la membrana sinoviale. Il femore si relaziona

con la tibia formando l‟articolazione tibio-femorale e con la rotula formando l‟articolazione

femoro-rotulea. Nel ginocchio, a differenza di quanto avviene in atre articolazioni, la stabilità

dei segmenti ossei non è garantita dalla congruenza dei capi articolari. Tuttavia, la capsula

articolare del ginocchio è robustissima e rinforzata dalla presenza di numerosi legamenti che

permettono di avere stabilità in estensione e mobilità in flessione. In aggiunta, sono presenti

strutture fibrocartilaginee: i menischi, la cui funzione è quella di proteggere e dare stabilità

permettendo la perfetta congruenza tra i capi articolari di tibia e femore. Infine, l‟apparato

muscolare del ginocchio ha il compito primario di far muovere e bloccare l‟articolazione

quando necessario nonché di assorbire le forze di carico.

1.1.1 Strutture ossee

Il ginocchio è strutturato attraverso tre segmenti ossei: femore, tibia e rotula. È importante

chiarire l‟anatomia dei singoli capi ossei per comprendere meglio la loro funzionalità e biomeccanica

nei movimenti articolari.

CAPITOLO 1 ANATOMIA E BIOMECCANICA DEL GINOCCHIO

5

Il femore

Il femore è un osso lungo che forma lo scheletro della coscia e nella stazione eretta esso ri-

sulta obliquo in basso e medialmente. Il femore è formato da un corpo (diafisi) e due

estremità (epifisi), delle quali quella prossimale si articola con l'osso dell'anca formando

l'articolazione coxofemorale, mentre quella distale si articola con la rotula e la tibia,

formando l'articolazione del ginocchio. L‟ estremità inferiore del femore si rigonfia in senso

trasversale, quanto in senso antero-posteriore in modo tale che l‟asse longitudinale del

femore, prolungato in basso, divide l‟estremità inferiore in due parti diseguali, di cui quella

posteriore ha dimensioni più notevoli di quella anteriore. L‟estremità inferiore del femore,

vista di fronte, presenta una superficie articolare a puleggia, la troclea femorale, la quale

risulta formata da due faccette, mediale e laterale, inclinate l‟una verso l‟altra, che terminano

in un solco antero-posteriore o gola della puleggia; la faccetta laterale è molto più larga di

quella mediale. Nella parte inferiore del femore quindi le due faccette, fino allora contigue,

si separano e la gola della puleggia è sostituita da un‟ampia incisura (o fossa

intercondiloidea) che divide così l‟estremità inferiore del femore in due porzioni situate ai

lati, dette condili (Fig. 1.1).

Fig. 1.1 Femore a sinistra la vista frontale e destra quella posteriore

I due condili si distinguono in mediale e laterale. Il condilo mediale è più piccolo di quello

laterale, ma si proietta medialmente molto più di quanto non faccia il condilo laterale,

lateralmente. Quest‟ultimo, infatti, si allontana ben poco dalla direzione del corpo dell‟osso.

Inoltre, il condilo laterale, considerando il femore in posizione verticale, discende meno in

basso del mediale, in modo che, se tutti e due poggiano sopra uno stesso piano orizzontale, il

femore prende una direzione obliqua in alto e lateralmente. La faccia dei condili che volge

verso l'asse del femore dà attacco ai legamenti crociati, quella che prospetta esternamente

http://it.wikipedia.org/wiki/Diafisi

http://it.wikipedia.org/wiki/Epifisi

http://it.wikipedia.org/wiki/Articolazione_coxofemorale

http://it.wikipedia.org/wiki/Rotula_(anatomia)

http://it.wikipedia.org/wiki/Tibia_(anatomia)

http://it.wikipedia.org/wiki/Ginocchio


6

rispetto all'asse stesso presenta due eminenze destinate a inserzioni legamentose,

gli epicondili mediale e laterale.

La rotula

La rotula (o patella) è il più grande osso sesamoide del corpo ed è situata nella parte anteriore

del ginocchio. Quest‟osso, appiattito in senso antero-posteriore, più largo in alto che in basso,

visto di fronte, ha la forma di un triangolo curvilineo, con la base rivolta in alto (Fig. 1.2).

Fig. 1.2 Rotula a. faccia anteriore, b. faccia posteriore

La base dalle patella ha la forma di un piccolo triangolo con l‟apice volto posteriormente,

leggermente inclinato dall‟alto in basso e dall‟indietro in avanti. Nella metà anteriore dà

attacco al tendine del quadricipite femorale; la parte posteriore, rivestita di cartilagine, è in

rapporto con la cavità articolare. L‟apice della rotula, diretto in basso, è più o meno incurvato

indietro in alcuni individui inoltre esso è importante in quanto dà inserzione al ligamento

patellare. I due margini si distinguono in mediale e laterale. Essi partono dalla base e

vengono dapprima in fuori (rispetto all‟asse della patella), quindi verticalmente in basso,

infine indietro, convergono verso l‟apice: descrivono così, dalla base all‟apice dell‟osso una

specie di semicirconferenza. I margini danno attacco ai legamenti alari della patella. La

faccia anteriore della rotula è convessa e perforata da piccole aperture per il passaggio dei

diversi vasi sanguigni; nella parte media si vede una serie di strie verticali e parallele, le quali

danno all‟osso un aspetto fibroide (Fig. 1.2). La superfice anteriore inoltre è ricoperta

dall‟espansione del quadricipite femorale che continua sotto nelle fibre superficiali del

legamento patellare. La parte superiore della faccia posteriore è ovale, liscia e divisa in due

facce che si articolano con i condili femorali, e da una cresta articolare trocleare; la faccia

laterale è più piatta e profonda della mediale. Sotto la superficie articolare si trova una zona


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rugosa non articolare e convessa: la parte inferiore di tale zona dà l‟attacco al legamento

patellare; la parte superiore è separata dalla testa della tibia da tessuto adiposo.

La tibia

La tibia è un osso lungo, voluminoso e robusto, situato nella parte antero-mediale della

gamba. Non è perfettamente rettilinea; presenta infatti una leggera concavità che è laterale in

alto e mediale in basso, assumendo perciò una forma a S; presenta inoltre una torsione

intorno al proprio asse. Così come per il femore, vi si considerano un corpo e due estremità.

L'estremità superiore, epifisi prossimale, è assai sviluppata soprattutto in senso trasversale e

si espande in due masse, i condili tibiali. La faccia superiore di ciascuno di questi presenta

una cavità glenoidea poco profonda, per l'articolazione con i condili femorali. Tra le due

cavità si trova un rilievo, sviluppato in senso antero-posteriore, l'eminenza

intercondiloidea, formata da due tubercoli, i tubercoli intercondiloidei rispettivamente me-

diale e laterale; davanti e dietro ai tubercoli si estendono due aree rugose di forma

triangolare, le aree intercondiloidee anteriore e posteriore. Nel contorno postero-laterale del

condilo laterale è presente la faccia articolare fibulare, piccola superficie piana, rivestita di

cartilagine, attraverso la quale la tibia si articola con la fibula prossimale. I condili conver-

gono in avanti in corrispondenza di un rilievo, la tuberosità tibiale; in dietro, invece, essi sono

separati da un solco (Fig. 1.3).

Fig. 1.3 Estremità superiori di tibia e fibula


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1.1.2 Strutture fibro-legamentose, strutture fibro-cartilaginee e muscoli

La capsula articolare è molto ampia ma si inserisce in maniera molto varia su tutte le strutture

dell‟articolazione: ad esempio sul femore si inserisce frontalmente e posteriormente a diversi

centimetri dal margine dell‟articolazione. Sulla rotula, l‟inserzione di questa capsula, prevede

l‟attacco di tutto il margine dell‟osso, poi inclusa in uno dei legamenti che stabilizzano

l‟articolazione. Sulla tibia, anteriormente, l‟inserzione va quasi a contornare le cavità

glenoidee, mentre posteriormente la capsula si porta un po‟ più in basso tra i due condili. La

capsula articolare è formata da una parte sinoviale, la membrana sinoviale, ed una parte

fibrosa. La membrana sinoviale ricopre tutta la parete interna della capsula ed è importante in

quanto secerne la sinovia, un liquido filamentoso che nutre e lubrifica le strutture molli

interne alla capsula articolare.

Il ginocchio è inoltre è dotato di borse sinoviali le quali favoriscono lo scorrimento tra

strutture adiacenti. Le borse sinoviali, dal punto di vista anatomico, sono strutture sacciformi,

delimitati da una membrana sinoviale, rinforzate da una guaina fibrosa e internamente

lubrificate da un velo di liquido sinoviale.

La capsula articolare è rinforzata da numerose strutture legamentose, sia internamente che

esternamente ad essa. Sotto sono descritti i legamenti del ginocchio più importanti.

I legamenti

L‟articolazione femoro-tibiale è stabilizzata principalmente da quattro legamenti : crociato

anteriore, crociato posteriore, collaterale mediale e collaterale laterale (Fig. 1.4). La funzione

principale dei legamenti crociati è quella di stabilizzare l'articolazione nella rotazione sul

proprio asse e di evitare lo slittamento anteriore o posteriore della tibia rispetto al femore

durante la flesso-estensione. Inoltre essi, grazie ad una loro leggera torsione e alla loro

inserzione a ventaglio, partecipano in modo determinante alla stabilità del ginocchio in tutte

le posizioni assunte dai capi ossei. In particolare, il crociato anteriore parte dall'eminenza

intercondilea della tibia procedendo obliquamente verso l'alto e finisce per inserirsi

posteriormente sul condilo laterale del femore. Per la sua particolare conformazione, il

crociato anteriore ha il compito di impedire lo spostamento in avanti della tibia rispetto al

femore. Il crociato posteriore, invece, si inserisce prossimalmente sulla parte laterale del

condilo femorale mediale e procede verso il basso infilandosi infine tra i due piatti tibiali

nella parte posteriore. Questo crociato serve per scongiurare un eccessiva traslazione

posteriore della tibia rispetto al femore. I legamenti collaterali, al contrario dei legamenti

http://it.wikipedia.org/wiki/Tibia_(anatomia)

http://it.wikipedia.org/wiki/Femore


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laterali, sono esterni alla capsula articolare e hanno il compito di impedire gli stress in varo-

valgo durante l‟estensione; infatti sono tesi durante l‟estensione e rilassati durante la

flessione. Di fatto, tali legamenti, impediscono al ginocchio di sollevarsi in modo mediale e

laterale. Il collaterale laterale si origina dall‟epicondilo laterale del femore e si inserisce nella

parte esterna della testa fibulare. Il legamento collaterale mediale, origina dalla faccia esterna

del condilo mediale, si unisce al menisco mediale e infine si inserisce sull‟area interna della

tibia. Il collaterale mediale è più sottile e più lungo di quello laterale. Quando il ginocchio è

esteso, i legamenti crociati impediscono la rotazione interna e i legamenti collaterali

ostacolano la rotazione esterna assicurando quindi la stabilità rotatoria in estensione.

Oltre ai legamenti menzionati, nel ginocchio sono presenti altre strutture legamentose. Il

legamento rotuleo è il tratto sottopatellare del muscolo quadricipite femorale che contiene nel

proprio spessore la rotula. Ai lati di quest‟ultima si trovano i legamenti alari: mediale e

laterale, il loro compito è quello di impedire un eccessivo spostamento laterale della patella.

Il legamenti menisco-femorale, anteriore e posteriore, sono situati rispettivamente

anteriormente e posteriormente rispetto al legamento crociato posteriore collegando

obliquamente tra loro il menisco e il femore. È presente, inoltre, il legamento trasverso del

ginocchio che unisce anteriormente il menisco mediale e il menisco laterale. Infine,

esternamente alla capsula articolare, troviamo altri due legamenti: popliteo obliquo e popliteo

arcuato. Il legamento popliteo obliquo ha origine sulla faccia posteriore del condilo mediale

della tibia per poi andarsi a inserire sulla faccia esterna capsula articolare in corrispondenza

del condilo laterale del femore, al fine di limitare i movimenti di estensione del ginocchio. Il

Fig. 1.4 Vista frontale di legamenti e

menischi del ginocchio

Fig. 1.5 Vista trasversale di legamenti e

menischi del ginocchio


10

legamento popliteo arcuato, invece, si porta verticalmente dalla testa della fibula alla capsula

articolare, collaborando con legamento collaterale laterale a contenere lateralmente la fibula.

I menischi

I menischi sono delle strutture simili due cuscinetti, uno laterale e uno mediale, di fibro-

cartilagine con forma simile a una “C” inseriti tra tibia e femore (Fig. 1.5). Lo spessore di

queste due strutture è maggiore nella parte laterale. Il menisco laterale ha una forma circolare

quasi chiusa e aderisce alla capsula articolare per quasi tutta la lunghezza ad eccezione di una

piccola area in cui scorre il tendine del muscolo popliteo. Il menisco mediale ha una forma a

semiluna, aderisce alla capsula per tutta la lunghezza ed ha i corni diversi tra loro, quello

anteriore è più stretto e basso rispetto a quello posteriore. L‟estremità anteriore del menisco

mediale continua in un legamento detto legamento trasverso del ginocchio, il quale di dirama:

da una parte va a legarsi al menisco laterale e dall‟altra va a posizionarsi nella faccia

anteriore della tibia tra i due condili. Inoltre, il menisco mediale è strettamente connesso al

legamento crociato mediale. I menischi sono strutture che svolgono funzioni molto

importanti: equilibrano le incongruenze e deformità tra le superfici articolari di tibia e

femore, consentono una maggiore distribuzione dei carichi al ginocchio, stabilizzano

l‟articolazione e assorbono gli urti.

I muscoli

La muscolatura che contorna il ginocchio ha il compito di far muovere l‟articolazione per

tutta l‟ampiezza del movimento (ROM: Range Of Motion) e allo stesso tempo di bloccarla

quando necessario. Un‟altra funzione dei muscoli della coscia e del ginocchio è quella di

assorbire le forze di carico provvedendo a ridurre lo stress applicato sulle superfici articolari

di carico, sui menischi e legamenti. Le lesioni che riducono l‟efficacia dei muscoli

compromettono queste funzioni e sottopongono il ginocchio a dei rischi. Il gruppo del

quadricipite è il solo che determina l‟estensione del ginocchio. Il quadricipite comprende il

retto femorale, che origina dalla spina iliaca anteriore inferiore e generalmente dal solco

sopra l‟acetabolo; il vasto laterale che origina da un „ampia inserzione sulla metà prossimale

del femore; il vasto intermedio che origine nei 2/3 anteriore e laterale della diafisi femorale;

ed il vasto mediale. Il quadricipite si inserisce sulla rotula coprendola con una espansione

fibrosa. Una parte del tendine del quadricipite si unisce con la capsula anteriore,

contribuendo a formare i legamenti menisco-rotulei. I muscoli flessori del ginocchio invece,


11

sono composti primariamente dai muscoli posteriori della coscia, i quali comprendo il

semimembranoso, il semitendinoso ed capo lungo e corto del bicipite femorale. Il capo lungo

del bicipite ed il semitendinoso, originano dalla porzione superiore della tuberosità ischiatica.

Il semimembranoso origina appena al di sopra degli altri due muscoli, anch‟esso sulla

tuberosità ischiatica e unisce le fibre del capo lungo del bicipite e del semitendinoso alla loro

origine. Il capo corto del bicipite femorale origina dal labbro laterale della linea aspra, lungo

la sua parte media e superiore.

1.2 Biomeccanica del ginocchio

L‟articolazione del ginocchio, sia da un punto di vista puramente biomeccanico che

funzionale è, in sé, piuttosto complessa. La sua posizione intermedia nel contesto anatomico

dell‟arto inferiore, richiede infatti sia una stabilità ottimale, ma anche una soddisfacente

mobilità consona alla deambulazione bipodalica dell‟uomo. Per descrivere i movimenti dei

capi ossei occorre definire i sistemi di riferimento anatomici del femore, della tibia e della

rotula. Fatto ciò, si può delineare la cinematica dell‟articolazione tibio-femorale e femoro-

rotulea. La rotula gioca un ruolo molto importante nel contesto biomeccanico, essa infatti

aumenta l‟efficacia meccanica del muscolo quadricipite aumentando il braccio di leva

durante l‟estensione del ginocchio.

1.2.1 Definizione del sistema di riferimento articolare di ginocchio

Per la definizione del sistema di riferimento articolare di ginocchio (che comprende due

articolazioni: la tibio-femorale e la femoro-rotulea), è stata scelta la convezione descritta da

Belvedere et al. (2007) [3] in uno studio in vitro riguardante proprio il tracking rotuleo

nell‟artroplastica totale di ginocchio (Fig. 1.6). Per poter costruire il sistema articolare di

ginocchio, occorre costruire dapprima i sistemi di riferimento anatomici sui segmenti ossei

coinvolti nel movimento. A tale scopo sono stati individuati i punti di repere anatomici su

femore (ME: epicondilo mediale, LE: epicondilo laterale, KC: centro del ginocchio), tibia

(CT: centro del piatto tibiale, MM: malleolo mediale, LM: malleolo laterale, AC: centro della

caviglia) e rotula (MP: punto più mediale del margine mediale della rotula, LP: punto più

laterale del margine laterale della rotula, AP: apice distale della rotula).

I punti anatomici digitalizzati sul femore e sulla tibia, insieme alla ricostruzione del centro

d‟anca e di caviglia, sono stati usati per definire i sistemi di riferimento anatomici per il

femore (Xf , Yf , Zf) secondo le definizioni raccomandate [4] e per la tibia (Xt, Yt , Zt,). Per il


12

sistema di riferimento della rotula (Xp, Yp, Zp), l‟origine è definita come il punto medio tra

MP e LP.

Sistema di riferimento del femore (Xf , Yf , Zf):

- Of : origine coincidente con KC

- Xf: asse ortogonale al piano frontale passante per HC, LE e ME, diretto anteriormente

- Yf : proiezione del vettore che congiunge KC a HC sul piano frontale, diretto

prossimalmente

- Zf: prodotto vettoriale di Xf e Yf

Sistema di riferimento della tibia-fibula (Xt , Yt , Zt,):

- Ot: origine coincidente con CT

- Xt: asse ortogonale al piano frontale passante per CT, LM e MM, diretto

anteriormente

- Yt: proiezione del vettore che congiunge AC a CT sul piano frontale, diretto

prossimalmente

- Zt: prodotto vettoriale di Xt e Yt

Sistema di riferimento della rotula (Xp, Yp, Zp):

- Op : punto medio tra MP e LP

- Xp: asse ortogonale al piano frontale passante per MP, LP e AP

- Yp: asse che congiunge AP e Op

- Zp: prodotto vettoriale di Xt e Yt

Per l‟articolazione tibio-femorale, i calcoli dei movimenti di flessione/estensione, rotazione

interna/esterna e ad/abduzione dell‟articolazione tibio-femorale sono basati su questi sistemi

di riferimento e secondo la convenzione articolare standard di Grood & Suntay [1] e sono

rispettivamente Zf, Yt e l‟asse flottante perpendicolare a questi due.

Mentre per l‟articolazione femoro-rotulea i calcoli dei movimenti di flessione/estensione, tilt,

rotazione e shift dell‟articolazione femoro-rotulea sono basati sulla convenzione di Bull et al.,

2002 [2]: le tre rotazioni avvengono rispettivamente attorno all‟asse Zf, Yp e all‟asse

perpendicolare a questi due mentre lo shift rotuleo è definito come la traslazione di Op lungo

Zf.

- La flessione (o l‟estensione) della rotula avviene quando l‟apice distale della rotula

(AP) si muove posteriormente (o anteriormente) rispetto al femore. Essa quindi risulta

essere una rotazione attorno ad un asse medio-laterale. La flessione della rotula segue

bene la flessione dell‟articolazione tibio-femorale.


13

- Il tilt mediale (o laterale) si verifica quando la parte interna della rotula verso la parte

mediale (o laterale) del ginocchio. Tale è una rotazione attorno ad un asse prossimo

distale.

- La rotazione mediale (o laterale) si verifica quando l‟apice distale della rotula (AP) si

muove verso la parte mediale (o laterale) del ginocchio. La rotazione avviene attorno

ad un asse perpendicolare al piano frontale della rotula.

- Lo shift mediale (o laterale) si verifica quando lo rotula si muove verso la parte

mediale (o laterale) del ginocchio. Risulta essere quindi una traslazione lungo un asse

medio laterale.

Fig. 1.6 Convenzione articolare per le articolazioni tibio-femorale e femoro-rotulea e i relativi

sistemi di riferimento su femore, tibia e rotula. Sono rappresentati gli assi flottanti per le due

articolazioni, insieme alle tre rotazioni della tibia-femorale e ai 4 movimenti d’interesse della

patello-femorale [ 3]


14

1.2.2 Cinematica dell’articolazione tibio-femorale

Nel ginocchio l‟epifisi distale del femore e l‟epifisi prossimale della tibia compongono

l‟articolazione tibio-femorale. I gradi di libertà di movimento di questa articolazione sono

sei: tre traslazioni e tre rotazioni sui tre assi anatomici (Fig. 1.6). Le traslazioni sono limitate

dalla presenza dell‟apparato capsulo-legamentoso e dai muscoli e quindi, di fatto, queste si

verificano in maniera molto ridotta. Per quanto riguarda le rotazioni, la flesso-estensione sul

un piano sagittale è il movimento principale dell‟articolazione tibio-femorale. La cinematica

del femore e della tibia in questo movimento è determinata soprattutto dalla geometria dei

condili femorali e del piatto tibiale, dalle forze muscolari che agiscono sull‟articolazione e

dai vincoli determinati dai legamenti crociati. Sul piano sagittale un condilo può essere

approssimato con due raggi di curvatura: il primo, di dimensioni maggiori, forma il profilo

anteriore del condilo ed entra in contatto con il piatto tibiale in estensione e in semi-

estensione favorendo la stabilità; il secondo, di dimensioni inferiori, disegna la posizione

posteriore ed entra in contatto con il piatto tibiale in flessione favorendo la mobilità

dell‟articolazione. Durante la flessione del ginocchio, l‟area di contatto tra i condili e il piatto

tibiale, si sposta posteriormente secondo un fenomeno, detto “roll- back”, cioè di

rotoscivolamento posteriore (Fig. 1.7). A partire dall‟estensione massima, per i primi 10-15°

di flessione, avviene un rotolamento posteriore dei condili femorali sulla tibia e per i restanti

gradi di flessionesi verifica uno scivolamento anteriore della tibia.

La flessione massima attiva è di 120° ad anca estesa e di 140° ad anca flessa. L‟estensione

massima è in genere di 0° ma è possibile che vi sia qualche grado di ipertensione. A causa

dell‟asimmetria dei condili, lo scivolamento avviene prima sul condilo mediale e poi su

quello laterale; mentre avviene il contrario durante il moto di rotolamento. Per tutta la durata

Fig. 1.7 Roll-back tra la tibia ed il femore Fig. 1.8 Andamento degli assi di flesso-

estensione durante la flessione del ginocchio


15

del movimento di flesso estensione il centro di rotazione non è fisso ma varia

istantaneamente a causa del moto di scivolamento. Di conseguenza anche l‟asse di flesso-

estensione, individuato congiungendo i centri di rotazione dei due condili, varia durante la

flesso-estensione del ginocchio (Fig. 1.8).

Durante la flessione del ginocchio si verifica anche una leggera rotazione interna del femore

rispetto al piano trasverso; tale movimento è chiamato “screw-home”. Per tornare nella

posizione originaria, durante l‟estensione, i condili femorali tendono a ruotare esternamente.

A causa della diversa conformazione anatomica, il condilo mediale tende a ruotare meno di

quello laterale. A ginocchio flesso è possibile effettuare una rotazione interna ed esterna della

gamba rispetto al femore. Mediamente si hanno 40° di rotazione esterna e 30° di rotazione

interna. Infine, evidenze sperimentali hanno mostrato che alla flesso-estensione è associata

anche con un movimento di abduzione-adduzione nel piano frontale, che però risulta avere

un‟escursione limitata, ad eccezione di rotture legamentose.

Sono riportati sotto (Fig. 1.9) gli andamenti della cinematica delle rotazioni dell‟articolazione

tibio-femorale, ottenuti da uno studio in-vitro con il sistema di navigazione chirurgica [5].

Le grandi articolazioni dell‟arto inferiore, in condizioni normali, si trovano su una stessa

linea retta, il cosiddetto asse meccanico longitudinale (linea di Mikulicz). Questa linea

collega il centro di rotazione della testa del femore, l‟eminenza intercondiloidea della tibia e

il centro della pinza malleolare. Mentre nella diafisi tibiale asse meccanico e anatomico

coincidono, l‟ asse meccanico e anatomico della diafisi femorale formano un angolo di 6°. In

tal modo gli assi longitudinali anatomici di coscia e gamba non formano una linea retta, ma

un angolo aperto verso l‟esterno di 174° all‟altezza dell‟articolazione del ginocchio, sul piano

frontale (valgismo fisiologico del ginocchio). Nel ginocchio varo il centro dell‟articolazione

Fig. 1.9 Valori delle rotazioni dell’articolazione tibio-femorale per step di flessione di 10°: (A)

adduzione/abduzione, (B) rotazione interna-esterna [5]


16

del ginocchio è posto lateralmente, nel ginocchio

valgo medialmente all‟asse meccanico longitudinale

dell‟arto (Fig. 1.10). A causa del difetto posturale, in

presenza di ginocchio varo o valgo insorgono, nel

giro di alcuni anni, alterazioni degenerative del

tessuto cartilagineo e osseo (gonartrosi) nonché

ipertensione di alcune parti della capsula, dei

legamenti e dei muscoli. Nel ginocchio varo, per

esempio, le strutture articolari mediali vengono

sollecitate perlopiù da forze di compressione, mentre

le strutture articolari laterali (per esempio il

legamento collaterale laterale) sono maggiormente

sottoposti a forze di stiramento.

1.2.3 Cinematica dell’articolazione femoro-rotulea

L‟articolazione femoro-rotulea, come dice il nome stesso, interessa la superfice distale

anteriore del femore e la superfice posteriore della rotula. Anche il moto di

quest‟articolazione coinvolge sei gradi di libertà. La rotula quindi viene descritta attraverso

tre rotazioni e tre traslazioni sui piani anatomici. Solamente quattro di questi movimenti sono

importanti dal punto di vista clinico: flessione, tilt (o inclinazione), rotazione e shift (o

traslazione) definiti nel paragrafo 1.2.1. Le traslazioni antero-posteriore e prossimo-distale si

riferiscono a movimenti che la rotula può fare nello spazio liberamente e non relazionandosi

direttamente con il femore. La posizione della rotula rispetto a questi assi risulta significativa

solo per la valutazione di certe patologie che comporta rispettivamente la patella alta oppure

intra. I movimenti della rotula appena descritti

vengono convenzionalmente riferiti a un sistema di

riferimento misto femoro-rotuleo (Fig. 1.11). Tale

metodo è quello più usato in letteratura ed è una

combinazione dei sistemi di assi della rotula e del

femore. Viene utilizzato un sistema misto femoro-

rotuleo, piuttosto che uno esclusivamente sul femore

o sulla rotula, in quanto in questi ultimi la

descrizione dei movimenti risulterebbe piuttosto

ambigua a causa di sovrapposizioni e allineamenti tra

Fig.1.11 Movimento della rotula in

termini di un sistema misto femoro-

rotuleo [Bull et al., 2002]

Fig. 1.10 Da sinistra ginocchio

normale, valgo e varo


17

gli assi del moto che si verrebbero a creare in alcune posizioni dell‟articolazione: questo

causerebbe confusione nella comunicazione con i clinici e inesattezze nella valutazione di

comportamenti patologici.

1.2.4 Funzioni della rotula

La rotula è molto utile per proteggere il ginocchio ma l‟importanza funzionale di questo osso

sesamoide consiste soprattutto nell‟ allungamento del braccio di leva del muscolo

quadricipite femorale in modo tale da facilitare l‟estensione del ginocchio. In questo modo la

forza che il muscolo esercita aumenta di oltre il 50%. Inoltre, essa ha il ruolo di mantenere la

forza e il momento di equilibrio alla rotula, producendo un rapporto mutevole tra la forza del

tendine del quadricipite e del tendine rotuleo. Quando il ginocchio è esteso la rotula viene

messa in tensione dagli altri componenti dell‟apparato estensore del ginocchio, ma non viene

schiacciata. Al contrario, quando il ginocchio è flesso, la rotula viene compressa sulla

superficie del femore. La pressione di contatto aumenta in modo direttamente proporzionale a

due fattori: all‟aumentare della flessione del ginocchio e all‟aumentare della forza esercitata

dal quadricipite. La rotula si trova in mezzo tra il tendine del quadricipite e il tendine rotuleo;

ogni volta che il quadricipite si contrae si realizza una forza che si scompone sui due tendini

(Fig. 1.12). Quando il ginocchio è esteso, la direzione delle due forze trasdotte dal tendine è

quasi parallela; la rotula è premuta leggermente contro il femore; quando il ginocchio è

flesso, la direzione delle due forze forma un angolo sempre più piccolo e, secondo il

diagramma di scomposizione delle forze, la risultante è una notevole forza di compressione

femoro-rotulea.

Grazie al lavoro compiuto dalla rotula l‟estensione viene facilitata e di conseguenza il

quadricipite femorale deve sviluppare una minore forza durante l‟estensione del ginocchio.

Fig. 1.12 Ginocchio: a. in

estensione, b. in flessione.

Scomponiamo la forza (F) sulla

rotula in: forza sul quadricipite (P)

e forza sull’inserzione del tendine

rotuleo (R).


18

La contrazione del quadricipite tende ad allontanare la rotula dalla troclea ed a spingerla

lateralmente (Fig. 1.13) durante l‟estensione. Quest‟azione però è contrastata sia dalla

morfologia della faccia esterna della troclea femorale, che agisce da binario durante la flesso-

estensione, sia dall‟azione del vasto mediale obliquo e dai legamenti femoro-rotulei. Una

diminuzione dell‟efficacia di contenimento meccanico può causare una sublussazione della

rotula. Risulta quindi di fondamentale importanza il controllo dell‟angolo Q o angolo

femoro-rotuleo. Quest‟ultimo è l‟angolo tra il muscolo quadricipite, principalmente il

muscolo retto femorale, e il tendine rotuleo. È determinato tracciando una linea che parte

dalla spina iliaca anterosuperiore (SIAS) e termina nel punto di mezzo della rotula e un‟altra

linea dalla tuberosità tibiale al punto di mezzo della rotula. L‟angolo formato

dall‟intersezione di queste linee rappresenta l‟angolo Q (Fig. 1.14). Quest‟ultimo, negli

individui normali, varia da 13 a 18 gradi con il ginocchio in estensione e tende ad essere

maggiore nelle femmine le quali tendono ad avere una bacino più largo. Angoli Q maggiori

di questo intervallo aumentano la tendenza alla sublussazione, o nei casi più gravi anche una

lussazione della rotula, mentre angoli minori accrescono la forza di compressione sul

compartimento mediale tibio-femorale attraverso un incremento dell‟orientamento in varo.

1.2.5 Patellar tracking

Il tracciamento dei movimenti della rotula relativamente al femore o alla troclea femorale

durante i movimenti di flesso-estensione del ginocchio prende il nome di patellar tracking.

Anormalità nel tracking rotuleo („maltracking‟) vengono associate a patologie

dell‟articolazione femoro-rotulea e non sempre sono facili da diagnosticare. E‟ quindi

Fig. 1.14 a. Tipico angolo Q in un

uomo b. Tipico angolo Q in una

donna.

Fig. 1.13 Forza esercitata sulla rotula

dal quadricipite.


19

importante conoscere il normale tracking rotuleo per comprendere la funzione biomeccanica

del ginocchio e per disgnosticare l‟instabilità rotulea ed il maltracking. La complessità sia

della geometria rotulea che dei pattern di moto della rotula, rende difficoltosa la misura in

vivo del patellar tracking [22].

In letteratura diversi studi hanno realizzato questo genere di misure, ma il confronto tra i

diversi studi effettuati risulta difficile a causa delle differenti metodologie adottate; diversi

fattori possono contribuire alla misura dei

movimenti della rotula: il sistema di coordinate e i

punti di riferimento, l‟accuratezza del sistema di

misura, la direzione del movimento del ginocchio

e il range esaminato, il carico a cui è sottoposto il

quadricipite, le caratteristiche del paziente, il

grado della rotazione tibiale e di varo-valgo del

ginocchio e altri. Da un attento lavoro di revisione

della letteratura [24], emerge un risultato comune:

la rotula trasla medialmente nei primi gradi di

flessione e poi trasla lateralmente. I risultati

riguardanti il tilt rotuleo sono meno consistenti,

specialmente in vivo, e i risultati della rotazione

sono altamente variabili. In altri studi [23] è stato inoltre osservato che, per la gran parte della

flessione compiuta dal ginocchio, la rotula compie un percorso circolare attorno all‟asse

trocleare (definito come l‟asse che congiunge i centri delle due sfere utilizzate per il fitting

dei condili femorali): questo supporta l‟ipotesi secondo la quale il movimento della rotula

dipende dalla geometria della troclea e non solo dalla tensione fornita da muscoli e

legamenti. Nel piano frontale, il percorso del moto della rotula è allineato all‟asse meccanico

del femore verso il centro dell‟anca. La rotula segue questo percorso circolare dopo i 16° di

flessione del ginocchio essendo intrappolata nella troclea; la parte distale della cresta mediale

della rotula entra nel solco trocleare a 6° di flessione, e la parte centrale a 22°.

Uno studio in vitro condotto da Belvedere et al. 2009 [5] ha riportato una misura accurata dei

sei gradi di libertà della rotula su venti arti inferiori di cadavere, utilizzando un sistema di

navigazione chirurgica ad alta risoluzione e adottando il sistema di riferimento descritto nel

capitolo precedente. Per la prima volta, tale studio riporta i movimenti della rotula rispetto al

sistema di riferimento sia del femore che della tibia, su un‟ampia escursione angolare e nel

rispetto delle correnti raccomandazioni internazionali. I risultati ottenuti sono concordi con la

Fig. 1.15 Articolazione femoro-rotulea

durante la flessione del ginocchio. La

parte distale della rotula viene in

contatto con il femore nei primi gradi di

flessione mentre la parte prossimale

viene in contatto con i condili femorali

ad elevati gradi di flessione [22].


20

letteratura precedente anche se più robusti e consistenti. Vengono di seguito riportati i grafici

delle rotazioni (flessione, rotazione e tilt) e delle traslazioni dell‟articolazione femoro-rotulea

nel sistema di riferimento del femore durante una flessione di 140° dell‟articolazione tibio-

femorale.

Fig. 1.17 Valori delle traslazioni della rotula lungo gli assi femorali A)

antero-posteriore; B) prossimo-distale; C) medio-laterale in funzione

della flessione dell’articolazione tibio-femorale [5].

Fig. 1.16 Valori delle rotazioni dell’articolazione femoro-rotulea in

funzione della flessione della tibio-femorale. A) flessione-estensione; B)

rotazione medio-laterale; C) tilt medio-laterale [5].


21

L‟analisi delle traslazioni della rotula ha una grande rilevanza clinica in quanto permette

l‟identificazione di una patella alta/bassa e di un‟eccessiva traslazione mediale/laterale: è

stato osservato che la rotula, durante la flessione del ginocchio, si muove posteriormente,

distalmente e lateralmente rispetto al femore.

Lo studio del tracking rotuleo è utile in diversi contesti: ad esempio, durante un‟artroplastica

totale di ginocchio, il contesto di questo lavoro di tesi, la conoscenza della cinematica

fisiologica della rotula può essere usata come target non solo per la ricopertura della rotula,

ma anche per il corretto posizionamento delle componenti protesiche di tibia e femore.

Queste informazioni possono essere ottenute facilmente adottando un sistema di navigazione

chirurgica, il quale contribuisce all‟identificazione, dopo ogni azione chirurgica, di

cinematiche anomale delle articolazioni tibio-femorale e femoro-rotulea. Da queste

informazioni e posizionando opportunamente le componenti protesiche, diverse anomalie

possono essere corrette intra-operatoriamente: a tale scopo, i sei gradi di libertà delle

cinematiche della rotula vengono rappresentati in funzione degli angoli di flessione

dell‟articolazione tibio-femorale e vengono mostrati al chirurgo durante le opportune fasi

dell‟intervento. Tutto ciò ha una grande rilevanza clinica negli interventi di TKA in quanto le

complicazioni a livello dell‟articolazione femoro-rotulea risultano tra le principali cause di

fallimento nell‟impianto protesico e dunque, se risolte, aumenterebbero senz‟altro le

possibilità di successo e le aspettative di durata a lungo termine della protesi.

22

Capitolo 2

Artroplastica totale di ginocchio

2.1 Generalità

L’intervento di artroplastica totale di ginocchio (TKA: Total Knee Arthroplasty) viene

effettuato ogni volta che, in seguito all’insorgere di determinate patologie, l’articolazione del

ginocchio non consente al paziente lo svolgimento di una normale attività motoria, oppure

generi dolore e ne peggiori comunque lo standard di vita. L’artrosi è la causa più frequente

per l’impianto di una protesi articolare del ginocchio (Fig. 2.1). L’artrosi del ginocchio, o

gonartrosi, è la più comune malattia cronica degenerativa di questa articolazione, soprattutto

in età senile. Può essere definita una sorta di “usura” dei capi articolari, nella quale lo strato

di cartilagine che riveste i condili femorali e i piatti tibiali si assottiglia progressiva mente

fino ad esporre l’osso sottostante. Questo reagisce addensandosi e producendo escrescenze

periferiche appuntite, gli osteofiti. Anche la rotula può essere coinvolta insieme con la sua

superficie di scorrimento sulla troclea femorale. La gonartrosi primitiva è una condizione di

cui non è nota la causa determinante e si presenta maggiormente in età avanzata. La

gonartrosi secondaria, invece, ha come cause più comuni i postumi di fratture articolari del

ginocchio, i mal-allineamenti (ginocchio varo e valgo), il disallineamento dell’apparato

estensore le instabilità (rottura dei legamenti) e altro. Il dolore è il sintomo più frequente ma

in funzione della gravità possono abbinarsi altri segni e sintomi: difficoltà di flettere

completamente il ginocchio, formazione di liquido sinoviale, riduzione di forza del

quadricipite, progressiva e costante riduzione dell’autonomia di marcia, difficoltà a salire e

scendere le scale, zoppia, rigidità, deviazione in varo o in valgo del ginocchio.

CAPITOLO 2 ARTROPLASTICA TOTALE DI GINOCCHIO

23

Un chirurgo ortopedico specializzato, con l’aiuto di radiografie, valuta il grado di lesioni

delle superfici articolari e decide a quale terapia sottoporre il paziente. Quando il grado di

artrosi non è acuto, un aiuto importante è fornito dall’artroscopia, una procedura che permette

di eseguire la pulizia dell’articolazione, rimuovendo eventuali elementi di attrito. Anche i

trattamenti farmacologici possono alleviare in maniera temporanea i sintomi, ma non

rappresentano una cura infatti, i farmaci antidolorifici o antinfiammatori sono essenzialmente

di supporto. Nelle prime fasi della malattia, quando la degenerazione cartilaginea è solo

parziale, possono essere d'aiuto delle infiltrazioni con acido ialuronico che migliora la

sintomatologia e rallenta la progressione dell'artrosi. Nei pazienti giovani, sotto i 30/40 anni,

possono essere presi in considerazione trattamenti innovativi, come il trapianto di condrociti

o di cellule staminali o ancora l'utilizzo di fattori di crescita.

Quando i metodi di conservazione riescono a procurare il sollievo desiderato, può essere

presa in considerazione la sostituzione dell’articolazione del ginocchio. Un chirurgo

ortopedico specializzato nel trattamento dei problemi ossei e articolari, valuta se il paziente

debba subire una sostituzione del ginocchio. La protesi ha lo scopo di ripristinare la mobilità

e la stabilità dell’articolazione e di conseguenza di attenuare il dolore. Il principio della

protesi articolare è conosciuto da decenni ed è diventato un trattamento standardizzato. In

Europa, s’impiantano oltre 230’000 protesi di ginocchio ogni anno e di conseguenza si può

parlare di un’operazione di routine.

2.2 Disegni protesici

Il disegno di una protesi totale di ginocchio deve considerare molti e importanti aspetti al fine

di ripristinare la completa funzionalità articolare per tutta la durata della vita del paziente in

termini di cinematica, ampiezza di movimento e stabilità. L’impianto deve, inoltre, realizzare

un trasferimento sicuro ed efficace sulle strutture ossee circostanti dei grandi carichi

meccanici esistenti nell’articolazione, fissare in maniera sicura e permanente le componenti

Fig. 2.1 Confronto tra una radiografia di un

ginocchio sano (a sinistra) e uno con artrosi (a

destra)


24

dell’impianto protesico e resistere all’usura a lungo termine. A tal fine, bisogna considerare

non solo la forma delle componenti protesiche, ma anche i tessuti molli che circondano il

ginocchio (legamenti, tendini, cartilagini, muscoli). Inoltre è fondamentale la scelta dei

materiali costituenti i componenti della protesi per il successo della TKA.

I disegni delle protesi totali di ginocchio consentono la flesso-estensione mediante la

geometria dei condili femorali e dei piatti tibiali sul piano antero-posteriore. La maggior parte

delle attuali protesi semplificano la geometria di ogni condilo con due raggi di curvatura: un

raggio più ampio che entra in contatto con il piatto in estensione e uno più piccolo che entra

in contatto con il piatto nella flessione del ginocchio.

Esistono diversi tipi di protesi, con diverse funzionalità, in relazione al tipo di intervento

richiesto e ai risultati degli studi effettuati dalle case produttrici. Tuttavia, in tutti i modelli in

artroplastica totale di ginocchio sono sempre presenti le tre componenti essenziali (Fig. 2.2):

1. Componente femorale: costituisce la parte

superiore della protesi, che si inserisce sulla

parte distale del femore.

2. Inserto: è il supporto che sostituisce l’azione

dei menischi e superiormente è a contatto con

la componente femorale, inferiormente viene

montato (in genere per incastro) sull’apposito

basamento.

3. Componente tibiale: è la componente inferiore

della protesi fissata alla tibia.

Durante la TKA il legamento crociato anteriore viene generalmente rimosso, salvo casi molto

particolari, mentre il crociato posteriore, se in buono stato, può essere conservato. La protesi

totale può appartenere a due categorie a seconda che venga conservato il legamento crociato

posteriore, chiamate cruciate-retaining (CR), o che venga sostituito il crociato posteriore,

chiamate posterior-sacrificed (PS). La prima non necessita di un perno centrale mentre la

seconda richiede uno scasso femorale per accogliere il perno dell’inserto (Fig. 2.3 a , Fig. 2.3

b). Per quanto riguarda la gamma di movimento, dolore, clinica, e gli esiti radiologici, non

sono state riscontrate differenze clinicamente rilevanti tra protesi totale CR e PS [28].

Fig. 2.2 Esempio di protesi totale

di ginocchio (TKA)


25

Sussiste un’altra distinzione tra le protesi totali di ginocchio: a piatto mobile e a piatto fisso.

Quelle a piatto mobile, come suggerisce il nome, possiedono l’inserto che non è bloccato al

piatto tibiale protesico, ma ha la possibilità di muoversi su di esso, assecondando i movimenti

eseguiti dal femore e dalla tibia. Gli inserti mobili nella TKA sono una possibile soluzione

per migliorare il rapporto tra le superfici articolari protesiche e ridurre le reazioni di usura fra

queste. Tuttavia, esistono complicanze che possono verificarsi nella TKA a piatto mobile

rispetto a quella a piatto fisso; queste comprendono la lussazione, la fuoriuscita o la rottura

del polietilene e l'intrappolamento di tessuti molli. Una tecnica chirurgica rigorosa e una

limitata mobilità dell'inserto possono ridurre queste complicanze.

Oltre alle protesi totali, esistono anche le protesi monocompartimentali (Fig. 2.4) le quali

sono indicate in caso di artrosi parziale del ginocchio. Esse infatti possono essere di due tipi a

seconda del comparto tibio-femorale che si va a protesizzare: mediale o laterale. Queste

protesi permettono di conservare gran parte dell'articolazione naturale, riducendo così

l'invasività dell’ intervento [25].

Infine, vengono utilizzate le protesi femoro-rotulee nel caso in cui l’artrosi colpisca

solamente il compartimento anteriore del ginocchio degenerando quindi la superficie

articolare tra femore e rotula. Questo disegno ha un approccio minimamente invasivo in

quanto va a sostituire soltanto la superficie posteriore della rotula e quella della troclea

femorale (Fig. 2.5). La componente trocleare è fatta in modo tale da intrappolare la rotula

all’interno del solco e articolarsi completamente con essa in estensione, senza creare

impedimenti durante il movimento. Gli impianti più moderni hanno incrementato gli indici di

successo nel breve termine, consentendo un recupero più veloce e un migliore range di

Fig. 2.3 b Esempio di protesi totale

postero stabilizzata o PS

Fig. 2.3 a Esempio di protesi totale a

risparmio di crociato o CR


26

movimento. Inoltre i recenti progressi delle tecniche chirurgiche, come la navigazione

chirurgica, contribuiscono a migliorare i risultati di questo tipo di intervento [26].

2.3 Ricopertura della rotula

La protesi tricompartimentale è un modello di protesi totale che prevede, oltre alle

componenti tibiali e femorali, anche la ricopertura della rotula (Fig. 2.6). Tutt’ora è in atto

una discussione tra chi sostiene che sia meglio protesizzare la rotula, chi no e chi solo in certi

casi [10, 11, 12, 15, 34]. Storicamente, le prime protesi di ginocchio non prevedevano di

protesizzare la rotula e infatti la principale problematica clinica riguardava le complicanze

femoro-rotulee. Negli anni settanta furono sviluppati diversi disegni protesici per accogliere

una protesi rotulea che si articolasse con il femore. Ciò portò a una diminuzione del dolore

anteriore del ginocchio e miglioramento dei risultati clinici. Tuttavia, iniziarono a verificarsi

nuove complicanze rotulee che comprendevano: la frattura della rotula, l’osteonecrosi, la

rottura dell’apparato estensore, l’usura, l’allentamento asettico, l’instabilità, la lussazione e la

sublussazione della rotula. Dagli anni ottanta, si preferì non ricoprire la rotula, considerata

una delle cause principali della revisione protesica del ginocchio.

Negli ultimi decenni, grazie a miglioramenti nella tecnica chirurgica e nel design della

componente femorale, c’è stata una rivalutazione sulla ricopertura della rotula

nell’artroplastica totale di ginocchio. In ogni modo non esiste un orientamento univoco sulla

questione ma opinioni diverse. Alcuni sostengono che sia meglio protesizzare sempre la

rotula, al fine di ridurre il dolore anteriore di ginocchio post-operatorio con un conseguente

miglioramento dei risultati clinici e funzionali. Altri preferiscono non protesizzare la rotula

sostenendo che questa sia una operazione ad alto rischio e che possa portare ad usura,

sublussazione, dislocazione, frattura, instabilità, conflitto con i tessuti molli e rottura del

legamento rotuleo. Inoltre, quest’ultimi preferiscono non protesizzare la rotula in quanto tale

Fig. 2.4 Esempio di protesi

monocompartimentale

Fig. 2.5 Esempio di protesi

femoro-rotulea


27

procedura aumenta i tempi e i costi dell’dell’intervento di artroplastica totale di ginocchio.

Infine c’è chi sostiene che la ricopertura della rotula debba riguardare solamente i casi di

osteoartrite con una superficie articolare consumata accompagnata ad un maltracking rotuleo

e la conservazione della rotula possa eliminare le complicazioni in seguito alle procedure di

protesizzazione.

La decisione di ricoprire la rotula o meno deve essere individualizzata sulla base della

formazione del chirurgo e l'esperienza e la valutazione intraoperatoria dell'articolazione

femoro-rotulea. I parametri chirurgici più importanti che devono essere adottati durante la

ricopertura della rotula sono: il mantenimento post-operatorio dello spessore rotuleo

originario, il bilanciamento dell’apparato estensore e una resezione simmetrica della rotula

cioè parallela al piano frontale della stessa. Tutto questo per garantire all’articolazione

protesizzata, una cinematica più fisiologica possibile.

2.4 Forme, materiali e modalità di fissazione della componente

rotulea

Esistono vari disegni protesici anche per la componente rotulea in base alla forma, al

materiale e alle modalità di fissazione. È possibile adattare tale componente in base

all’anatomia dei soggetti e quindi scegliendo la taglia e la forma più adatta. Tuttavia, i vari

modelli, prevedono la resezione della faccia posteriore della rotula. I materiali utilizzati

possono essere diversi ma sostanzialmente distinguiamo le protesi rotulee interamente in

polietilene o quelle solo con la parte posteriore in metallo (Fig. 2.7). Lo sviluppo di queste

ultime ha consentito un miglioramento nella distribuzione dello stress da contatto sia sul

polietilene che sull’osso e ha ridotto gli strappi sulla superficie anteriore; eppure sono stati

Fig. 2.6 Esempio di una

protesi totale di ginocchio

tricompartimentale. Sono

visibili le componenti del

femore, della tibia (con il

relativo piatto in polietilene)

e la componente rotulea


28

riportati casi di dissociazione del polietilene dalla parte metallica

e di usura dello stesso. Le componenti costituite interamente in

polietilene darebbero migliori risultati a lungo termine.

Il primo modello di protesi, per la ricopertura della rotula,

consisteva in un oggetto cupoliforme di forma simmetrica di

polietilene con un’aletta fissata al centro che veniva cementata

con la superficie della rotula posteriore residua. La forma a

cupola non richiede allineamenti rotazionali, ma è stato

dimostrato che la presenza di una singola aletta procuri un alto

stress da contatto e sviluppi significativi punti di carico,

influenzando negativamente il post-operatorio ed in particolare il

tempo di usura, la resistenza della protesi, la deformazione

dell’articolazione.

Nel corso degli anni si è pensato a un modello più

anatomicamente strutturato che potesse meglio articolarsi sulla troclea del femore e allungare

la vita della protesi in quanto si sono registrati: riduzione dello stress da contatto, ritardo nel

tempo di usura e minore deformazione articolare. Inoltre, diversi studi hanno dimostrato che

la congruità della forma possa garantire alla rotula un tracking simile a quello fisiologico e

minori eventi di lassità medio-laterale. L’ampia, centrale e singola aletta è stata abbandonata

a favore di più piccoli e periferici perni (pegs) che garantiscono un’eccellente stabilità

riducendo il rischio di frattura.

La protesi disegnata da Buchel (congruenza-contatto, retro metallico) consiste in un modello

femoro-rotuleo più congruente, ma il polietilene è libero di scivolare su di una superficie

liscia metallica che è affissa alla rotula posteriormente. Altre varianti di questo modello sono

i componenti asimmetrici, ovali, tipo sombrero e bottoni rotulei biconvessi. Al contrario del

modello circolare che copre una minore percentuale della superficie ossea della rotula, il

modello ovale (Fig. 2.8), sia anatomico sia cupoliforme, permette una maggiore copertura e

teoricamente consente una distribuzione più uniforme dello stress sull’osso. La superficie

articolare è traslata medialmente al fine di evitare uno schiacciamento delle strutture laterali.

Esiste un’altra forma, quella a sombrero (Fig. 2.9) che permette di distribuire meglio le forze

sulla superficie del bottone rotuleo, modulando i punti di contatto dell’articolazione femoro-

rotulea durante i movimenti del ginocchio. La rotula biconvessa ha una particolare

applicazione nel trattamento delle rotule deficitarie, specialmente nelle situazioni di

revisione.

Fig. 2.7 In alto: la

componente rotulea

metal-backed. In basso:

la componente rotulea

realizzata interamente

in polietilene


29

Il disegno della troclea femorale deve avere una certa corrispondenza con quello della

componente rotulea: la maggior parte dei modelli sono stati disegnati con un incavo trocleare

per meglio articolarsi con il corrispondente bottone rotuleo.

Per quanto riguarda il posizionamento della protesi rotulea viene di solito preferita al centro o

leggermente mediale, per ridurre l’angolo Q. Nell’artroplastica totale di ginocchio, l’opinione

è divisa riguardo alla medializzazione della componente rotulea al fine di ridurre l’incidenza

della sublussazione rotulea e la necessità del release del legamento laterale. Questo aspetto è

stato valutato da Anglin et al. 2009 [27], in esperimenti su cadavere, studiando gli effetti di

due diversi gradi di medializzazione della componente rotulea su alcune variabili

cinematiche. In tale studio è stata dimostrata: la presenza sia di effetti positivi che negativi

della medializzazione e la proporzionalità di questi effetti in base al grado di

medializzazione. Considerando sia i vantaggi che gli svantaggi, generalmente si raccomanda

una medializzazione modesta del’ordine dei 2.5 mm.

Il modello di protesi applicata ha un’importante influenza sulla cinematica rotulea. Una

superficie trocleare assolutamente piatta non concentra le forze di carico sulla rotula,

promuovendo una sublussazione laterale; lo stesso valgismo fisiologico può influenzare

questa complicanza. Al contrario, l’utilizzo di una troclea con alte sponde laterali e con un

profondo incavo centrale costringe la rotula centralmente entro i binari della troclea. Un

aspetto fondamentale da considerare è il bilanciamento delle forze che controllano i tessuti

molli, poiché un aumento dello stress da contatto e un aumento delle forze di taglio

all’interfaccia osso-protesi, possono condurre ad una più rapida usura del polietilene della

protesi e al rischio di fratture ossee della rotula. È importante quindi valutare l’articolazione

femoro-rotulea per scegliere modello protesico adeguato ma, soprattutto, per realizzare un

Fig. 2.8 Forme diverse della protesi

rotulea. Dall’alto: ovale, circolare e

biconvessa

Fig. 2.9 Forme diverse della protesi

rotulea: a) a cupola b) sombrero, c)

semisombrero [17]


30

posizionamento e un bilanciamento corretto delle singole componenti tibiale, femorale,

rotulea e tissutale tra loro.

2.5 Materiali utilizzati e fissazione delle componenti protesiche

I materiali tipicamente utilizzati per realizzare i componenti della protesi sono:

Lega di cromo-cobalto ASTM F-75: per componente femorale, piatto tibiale,

componenti di riempimento osseo;

Lega di bloccaggio di cromo-cobalto ASTM F-1537: per i perni di rinforzo,estensione

modulare per lo stelo, e adattamento sfalsato, vite di bloccaggio per estensione, filo

metallico di bloccaggio;

Polietilene ad altissimo peso molecolare ASTM F-648: per l’inserto del supporto

tibiale, per la componente rotulea;

Lega di titanio 6°1-4V ELI ASTM F-136: per l’estensione dello stelo modulare e

solitamente Ti6AI4V per la parte metallica delle protesi rotulee metal-backed.

Il polietilene ad altissimo peso molecolare (UHMWPE) è il materiale utilizzato nella

realizzazione del piatto tibiale in quanto possiede ottime caratteristiche come: la resistenza

all’abrasione e all’urto, il basso coefficiente d’attrito, l’inerzia chimica e la resistenza alle

fratture da sollecitazione. Tuttavia, gli inserti in UHMWPE non sono immuni da problemi di

danneggiamento nel medio-lungo periodo dovuti sia a fattori biomeccanici sia legati al tipo di

materiale. Lo strisciamento eccessivo del femore sul piatto tibiale può generare elevati sforzi

ciclici, soprattutto lungo i bordi dell’inserto, aumentando la probabilità e l’incidenza dei

fenomeni di fatica. Un cattivo allineamento della protesi può aumentare la probabilità che

sforzi elevati si accumulino su zone ristrette, usurando più facilmente l’inserto in polietilene.

La componente protesica può essere fissata all’osso principalmente tramite tre metodi [9, 13].

Il primo consiste nell’utilizzo di cemento da fissazione il quale viene addizionato con

antibiotico per ridurre il rischio infettivo. Questa tecnica assicura un ottimo ancoraggio della

protesi ma presenta notevoli problematiche in rimozione nel caso di revisione ed allunga la

durata dell’intervento. Il secondo metodo è il fissaggio ed il bloccaggio diretto grazie ad una

superficie d’idrossiapatite all’interfaccia con l’osso per favorire l’osso-integrazione e

un’ottima fissazione. Esistono però diversi svantaggi nell’utilizzo di questo metodo come: il

rischio di migrazione del piatto tibiale entro tre mesi dall’intervento, il costo più elevato e

una resezione dell’osso più accurata. Infine l’ultimo metodo è un ibrido in quanto consiste

nella cementazione di una componente protesica (in genere il piatto tibiale) e la fissazione

dell’altra (tipicamente la componente femorale).


31

2.6 Cause di fallimento

La longevità di un impianto protesico qualunque è valutata attraverso il numero di anni in cui

la protesi resta impiantata nell’articolazione; nel caso di una protesi di ginocchio è di circa 15

anni, ma esiste molta variabilità individuale dovuta al peso, all’età ed all’attività fisica del

paziente.

Le cause di fallimento possono essere molteplici; esse sono fortemente associate

all’intervento di artroplastica e allo stile di vita del particolare soggetto: peso e livello di

attività fisica. Storicamente l’inserto in polietilene risultò la principale causa di revisioni di

impianti protesici ma, con il progresso della sua lavorazione, sterilizzazione e conservazione,

si è riusciti a migliorare consistentemente tale materiale. Recentemente, diversi studi [8, 14,

16], hanno rivalutato i maggiori motivi di fallimento della TKA. La causa principale è legata

alle infezioni e, a seguire, i fallimenti asettici tra i quali: mobilizzazione dell’impianto

protesico, maltracking rotuleo, usura del polietilene e instabilità. Per far fronte ad alcune di

questi problemi sono state messe a punto diverse tecniche che siano capaci di contenerle o di

prevenirle (studio dei materiali, valutazioni cinematiche post-operatorie, miglioramento del

disegno protesico).

Per quanto riguarda le criticità legate alla tecnica chirurgica, la tecnologia degli ultimi anni

ha messo a disposizione del chirurgo un sistema computerizzato, la cosiddetta navigazione

chirurgica, oggetto di questo tesi: questo sistema assiste intra-operativamente ogni azione

messa a punto dal chirurgo sull’articolazione da protesizzare, in particolare i tagli sui

segmenti ossei e l’allineamento delle componenti protesiche. In questo modo il

posizionamento dell’impianto risulta più accurato, garantendo una vita più longeva e minori

problemi tecnici (riduzione dell’usura e della mobilizzazione) alla protesi, il tutto a beneficio

del paziente (riduzione del dolore, maggior stabilità, eventuale impianto di revisione spostato

più avanti nel tempo).

La protesi di ginocchio si è evoluta in modo tale da essere diventata una delle procedure più

valide ed affidabili che si ha a disposizione. La sostituzione totale dell’articolazione ha

trasformato la vita di numerosi pazienti dando loro la possibilità di essere ancora attivi

sentendo poco dolore.

32

Capitolo 3

Materiali e metodi

3.1 Generalità

Per ridurre i fallimenti dell’artroplastica totale di ginocchio, come discusso nel capitolo

precedente, è indispensabile allineare correttamente e con estrema precisione le componenti

protesiche. Inoltre è noto che il rischio di insuccesso dell’impianto protesico aumenta in

seguito ad errori nell’allineamento varo/valgo di oltre 3° nel piano frontale [3]. La chirurgia

computer assistita (CAS), la cosiddetta navigazione, è stata introdotta negli anni ’90 in

ambito ricostruttivo-ortopedico, Un sistema di navigazione chirurgica è un insieme di

dispositivi che fornisce al chirurgo un supporto grafico-geometrico in seguito all’acquisizione

di dati anatomici, e che lo aiuta nell’allineamento delle componenti protesiche, permettendo

così un posizionamento più accurato. In particolare, il chirurgo viene guidato nell’esecuzione

delle resezioni ossee e dei relativi fori per l’ancoraggio finale della componente protesica,

una volta stimata la giusta taglia della stessa. L’utilizzo di un sistema di navigazione è stato

dimostrato incrementare l'allineamento dell' impianto protesico rispetto alla tecnica

convenzionale per la TKA [19, 20, 29, 30, 31]. Tali sistemi sono in grado di generare

misurazioni di allineamento precise, accurate e riproducibili. Questa tecnologia risulta uno

strumento efficace per valutare l'allineamento dell'arto nella fase pre e post-operatoria e

relative misure intraoperatorie per ottenere risultati clinici e funzionali. I sistemi CAS sono

stati sviluppati, in ambito ortopedico, per procedure come l’artroplastica totale dell’anca,

ricostruzione del legamento crociato anteriore, osteotomie della tibia superiore e artroplastica

totale del ginocchio. Fondamentalmente, i sistemi attualmente disponibili possono essere

divisi tre categorie: sistemi robotici attivi, sistemi robotici semi-attivi e sistemi passivi. Nei

primi, un robot effettua alcuni compiti del chirurgo, senza che quest’ultimo intervenga. La

CAPITOLO 3 NAVIGAZIONE CHIRURGICA DELLA ROTULA IN TKA

33

pianificazione dell’intervento è effettuata grazie al sistema di tomografia computerizzato

dell’articolazione del paziente. I sistemi robotici attivi oggi non vengono molto utilizzati

nell’artroplastica di ginocchio a causa dei costi elevati a delle difficoltà logistiche riscontrate.

I sistemi robotici semi-attivi, invece, non eseguono alcun compito del chirurgo ma limitano la

libertà di posizionamento dello strumentario chirurgico. Tali sistemi pianificano l’intervento

di artroplastica mediante bioimmagini acquisite intra-operatoriamente attraverso un

tomografo computerizzato. Infine, i sistemi di navigazione passivi forniscono informazioni

quantitative attraverso le quali il chirurgo è guidato nell’impianto delle componenti

protesiche, senza limitare o eseguire i suoi compiti. Per programmare l’intervento di

artroplastica, questi sistemi usano modelli del sistema anatomico costruiti attraverso

bioimmagini pre-operatorie ottenute con la tomografia computerizzata, oppure attraverso un

matching statistico di un generico modello scheletrale. Tale maching è realizzato a partire dai

punti di repere del paziente con un’accuratezza media di 0.5 mm, con un picco massimo

sempre inferiore ad 1 mm [21]. Alti sistemi passivi usano bioimmagini intra-operatorie

acquisite con un fluoroscopio. Attualmente i sistemi passivi più utilizzati sono quelli definiti

“image-free navigation system”, ovvero quei sistemi che costruiscono un modello statistico

delle strutture ossee del femore e della tibia, a partire dalla calibrazione di alcuni loro punti di

repere.

La navigazione computer assistita riduce l’invasività dell’intervento chirurgico, permettendo

di effettuare la minima resezione ossea necessaria a rimuovere l’osso deformato dall’artrosi

ed a ristabilire il corretto allineamento biomeccanico dell’arto.

3.2 Navigatore chirurgico

Presso l’Istituto Ortopedico Rizzoli (IOR) è stato utilizzato, per i 20 pazienti sottoposti allo

studio, un navigatore chirurgico della Stryker-Leibinger, Freiburg im Breisgau, Germany con

livello di accuratezza di 0.5° nella valutazione delle rotazioni e 0.5 mm nella valutazione

delle traslazioni. Tra le diverse tipologie di navigatore chirurgico, esso si colloca tra quelli

passivi che utilizzano un sistema stereo-fotogrammetrico attivo cioè marcatori foto-

emettitori. Il sistema di navigazione utilizzato comprende: una laptop su cui è istallato un

software dedicato, una piattaforma hardware dedicata, tre telecamere a infrarosso all’interno

di un contenitore metallico chiamato localizzatore (o localizer), dei tracciatori (o tracker) su

cui sono fissati cinque marker attivi e un puntatore (o pinter) (Fig. 3.1). I tracciatori sono

impiantati nell’osso, tibia e femore, e servono a definire una terna tecnica, d’ausilio, solidale

con il segmento osseo. Il puntatore invece ha la funzione d’identificare i punto di repere ossei


34

digitalizzati dal chirurgo. I tracker e il puntatore comunicano con le telecamere tramite diodi

foto-emettitori (LEDs), impostati a diverse frequenze. Il tracker per la tibia e la pelvi è lo

stesso, poiché su tibia e pelvi non si interviene contemporaneamente, come invece avviene

tra femore e tibia e tra femore e pelvi.

La stazione di lavoro occupa un raggio di 50 cm e deve essere posta a circa 1,5-2 m dal

campo operatorio. I segnali infrarossi vengono elaborati dal software dedicato il quale

esprime le coordinate del punto acquisito relativamente alla terna tecnica. La calibrazione

consiste nell’acquisizione di più reperi di un osso, relativi alla terna tecnica solidale con

quell’osso, consentirà di definire la terna di riferimento anatomica per lo stesso osso che

verrà visualizzata su un apposito monitor. Una volta definite le terne, queste vengono

solitamente visualizzate su un monitor, offrendo al chirurgo in tempo reale un supporto

grafico geometrico.

E’ possibile anche acquisire una superficie ossea mediante un’operazione di calibrazione

continua, in cui il puntatore è impostato per emettere il segnale secondo la frequenza propria

del sistema. In tal caso l’operatore mantiene il puntatore sempre abilitato finché non

acquisisce un numero prefissato di punti.

Successivamente, chirurgo esegue un’ulteriore fase di strumentazione, ma relativa alla guida

di taglio in modo tale da avere ,in tempo reale, un ulteriore supporto visivo geometrico. Nella

visualizzazione sul monitor, il quadro anatomico e il quadro di taglio verranno sovrapposti e

il chirurgo, tramite aggiustamenti manuali, posizionerà la guida di taglio secondo ciò che è

richiesto dall’artroplastica del ginocchio.

Tracker

Puntatore

Fig. 3.1 Sistema di navigazione chirurgica


35

Il chirurgo, inoltre, è ulteriormente guidato nel posizionamento delle protesi anche servendosi

dei valori cinematici elaborati dal software. Per esempio, facendo eseguire un movimento

passivo di flessione al ginocchio, il sistema di navigazione standard fornisce i gradi di

varo/valgo, intra/extra rotazione, ab/adduzione dell’articolazione tibio-femorale. Usualmente,

durante un’artroplastica di ginocchio, vengono registrati i valori cinematici relativi a più

movimenti dell’articolazione. Tali movimenti sono fatti eseguire prima dell’intervento, per

stimare la situazione iniziale, durante e dopo l’intervento. Il chirurgo fisserà in modo non

definitivo le componenti protesiche, durante l’intervento, e farà eseguire al ginocchio una

flessione, osservando i valori cinematici. Egli valuterà se il ginocchio, con quel

posizionamento protesico, ha un comportamento patologico (per esempio, eccessivo varismo)

oppure no. Se si ha un comportamento patologico il chirurgo smonterà la protesi ed eseguirà

alcuni aggiustamenti sulla posizione, mentre, in presenza di valori cinematici non patologici,

il chirurgo si appresta al definitivo fissaggio della protesi e a suturare l’artrotomia.

Il sistema di riferimento globale è definito attraverso il localizzatore ed è una terna cartesiana

destrorsa in cui l’asse x è l’asse che corre lungo il localizzatore stesso, l’asse y è

perpendicolare al precedente e l’asse z è ortogonale ad entrambi (Fig. 3.2).

Il sistema di riferimento del tracker visto dal localizzatore sarà il seguente (Fig. 3.3):

asse x: asse normale al piano definito da tre marcatori complanari puntante verso tale

piano a partire dall’unico marcatore in rilievo;

asse y: asse definito dai due marcatori laterali, puntante verso la sinistra del

localizzatore;

asse z: asse costruito dal marcatore più inferiore e quello più superiore, puntante verso

l’alto.

Fig. 3.2 Sistema di riferimento

globale

Fig. 3.3 Sistema di riferimento

tecnico del tracker


36

3.3 Protocollo d’uso per la navigazione standard del ginocchio

3.3.1 Fase preparatoria

A) Preparazione del paziente

In sala operatoria, prima di iniziare l’acquisizione dei dati, è necessario seguire una fase

preparatoria. Una piccola incisione è eseguita a livello della cresta iliaca, sulla quale è

inserito un pin corticale per ancorare il tibial/pelvic tracker. Effettuato ciò, attraverso

un’incisione antero-mediale si apre la capsula articolare del ginocchio: l’incisione deve

essere tale da consentire l’eversione totale della rotula. Un secondo ed un terzo pin sono

inseriti rispettivamente sulla protuberanza femorale prossimale dell’epifisi distale, appena

sopra i due condili, ed un terzo è inserito sul margine anteriore della tuberosità tibiale. Ogni

volta che s’inserisce un pin, conviene che si verifichi la stabilità dell’ancoraggio: oscillazioni

dei pin possono produrre critici errori di misura.

B) Introduzione dei dati del paziente ed impostazione del sistema

Inseriti i pin e fatto avviare il software per la navigazione, è richiesto l’inserimento dei dati

paziente, come generalità anagrafiche, storia clinica riguardante l’intervento, lato dell’arto sul

quale effettuare l’artroplastica. Alla fine della navigazione il sistema genererà una cartella

elettronica, contenente tutti i file da esso generato.

In questa fase si possono impostare alcuni tipi di opzioni diverse da quella di default:

entrando nello user setting si può cambiare la procedura per l’acquisizione del centro del

ginocchio, o per la definizione dell’asse preliminare antero-posteriore della tibia, oppure

decidere se navigare prima la tibia e dopo il femore.

C) Inizializzazione del sistema

Durante questa fase, ogni parte del sistema deve essere attivata: il sensore deve essere

collegato con la Workstation e i tracker e il pointer devono essere attivati tramite un

interruttore posto sul lato, dopo aver inserito le pile negli appositi spazi. Istante per istante,

anche durante la navigazione, il sistema segnalerà se ciascun componente del navigatore è

inizializzato; se l’inizializzazione di un tool

dovesse decadere per un qualunque motivo, il

navigatore lo segnalerà visualizzando sul monitor

il tool non attivo. Dopo l’inizializzazione dei

dispositivi, sul monitor comparirà il campo

visivo del sensore con all’interno le sagome dei

tracker: essi devono essere sempre visibili dal Fig. 3.4 Inizializzazione del tracker.


37

sensore. Inizializzato il sistema, sarà richiesto la validazione del pointer, tale operazione è

eseguita tramite il pointer stesso, il quale dovrà identificare un punto noto di uno dei due

tracker (Fig. 3.4). Tale operazione può essere ripetuta se la distanza stimata è maggiore di 2

mm ma, se per diverse volte la calibrazione non conduce ad un esito favorevole, bisogna

sostituire il puntatore.

3.3.2 Quadro anatomico generale (Anatomical Survey)

A) Stima del centro d’anca

Dopo la validazione del puntatore, il sistema richiede una serie di calibrazioni anatomiche,

eseguite sequenzialmente secondo un ordine prestabilito. Tali calibrazioni hanno l’obiettivo

di fornire al sistema di navigazione un quadro anatomico (anatomical survey) del ginocchio

posto sotto esame e, a partire da tali informazioni, costruire le terne di riferimento anatomico.

In realtà la prima operazione richiesta per l’anatomical survey non è una calibrazione, ma la

stima della posizione del centro dell’anca, calcolato rispetto al sistema di riferimento

anatomico del femore. Occorre disporre di tale informazione per costruire l’asse prossimo-

distale del sistema di riferimento anatomico del femore, infatti tale asse congiunge il centro

del ginocchio con il centro della testa del femore. Poiché il centro dell’anca è un punto

interno alla testa del femore, assunta come settore sferico, esso non è direttamente calibrabile.

Nel sistema di navigazione il chirurgo è invitato a ruotare lentamente la coscia del paziente,

eseguendo circonduzioni di tale segmento rispetto alla pelvi. Durante tali manovre, la

posizione del tracker sul femore è trasmessa al sensore, il quale riporta le coordinate di tali

posizioni relativamente al tracker pelvico. Ciascuno di questi punti, mostrato sul monitor,

descriverà traiettorie sferiche attorno alla testa del femore (Fig. 3.5). Al termine del processo

di stima, sul monitor comparirà anche il raggio

della sfera teorica, espresso come distanza tra

l’origine della terna sul tracker femorale ed il

centro di rotazione appena stimato. La qualità

dell’approssimazione sferica della testa

femorale è espressa dal sistema tramite il RMS

(RootMeanSquare) error: se il RMS è minore di

0.2 mm, basta l’acquisizione di 150 punti, come

da default, altrimenti occorre acquisire 200

punti, oppure è proposta un’ulteriore sessione di

stima.

Fig. 3.5 Stima del centro d’anca


38

B) Calibrazione dei punti di repere femorali

In questa fase il sistema richiede la calibrazione di singoli punti anatomici. Preliminarmente è

richiesta la calibrazione dell’epicondilo mediale e poi di quello laterale: il chirurgo deve

prestare attenzione nella selezione dell’effettivo punto più mediale e più laterale dei condili

femorali, specie per quello mediale. Infatti in questa fase occorre calibrare i punti di

inserzione femorale dei legamenti collaterali. L’inserzione del collaterale laterale coincide

con l’epicondilo laterale anatomico. Invece l’epicondilo mediale anatomico è differente da

quello chirurgico, infatti quest’ultimo, inteso come punto di inserzione del legamento

collaterale mediale, è ubicato in una fossetta più distale rispetto all’epicondilo anatomico.

Dopo la calibrazione degli epicondili, al chirurgo è richiesta la digitalizzazione del centro del

ginocchio, o knee center. Tale acquisizione può essere effettuata attraverso due distinte

modalità: nello user settings è disponibile la calibrazione indiretta, con la quale si acquisisce

la linea inter-condilare che funge anche da asse antero-posteriore del femore, e la

calibrazione diretta, consigliata rispetto alla precedente, che comporta la digitalizzazione del

punto più distale e anteriore della troclea femorale.

A questo punto sono stati acquisiti i punti di

repere del femore necessari per la

costruzione della terna di assi anatomici del

femore stesso. Inizialmente si considera un

piano “quasi frontale”, passante per i due

epicondili e per il centro della testa femorale.

L’asse antero-posteriore è ortogonale a tale

piano e passante per il centro del ginocchio.

L’asse prossimo-distale è rappresentato dalla

proiezione sul piano frontale del vettore

congiungente il centro del ginocchio con la

testa del femore. L’asse medio-laterale è dato

dal prodotto vettoriale dei precedenti assi. In

realtà, poiché notevoli deformità della geometria ossea possono rendere difficile

l’identificazione del centro del ginocchio e dunque causare un’errata definizione della terna

anatomica, il navigatore richiede al chirurgo di identificare attraverso il pointer quello che,

secondo la propria esperienza chirurgica, è l’asse antero-posteriore. Quest’asse è denominato

asse antero-posteriore “preliminare”. A questo punto il sistema proietta nel piano trasverso

del femore sia l’asse preliminare, sia quello trans-epicondilare. L’asse medio-laterale

Fig. 3.6 Convenzione degli assi per il femore

distale


39

definitivo sarà dato dalla bisettrice della proiezione dell’asse trans-epicondilare e l’asse

ortogonale alla proiezione dell’asse antero-posteriore preliminare (Fig. 3.6). In sostanza, è

stato costruito un asse medio-laterale medio, attraverso il quale è possibile ridurre gli errori di

definizione della terna anatomica, i quali possono essere dovuti, ad esempio, ad un’impropria

calibrazione dei punti di repere.

Dopo questa fase, il sistema richiede l’acquisizione delle aree più distali dei condili femorali.

Tale acquisizione avviene attraverso la calibrazione continua di punti condilari, con

frequenza pari a quella fornita dal sistema, ovvero 20 Hz. In tal modo sono introdotte

informazioni circa la geometria del femore, necessarie per guidare il chirurgo nel

posizionamento delle guide di taglio: il punto più distale tra quelli acquisiti, sia per il condilo

mediale che laterale, sarà usato per definire il livello prossimo-distale della resezione ossea.

Eseguita questa fase, il quadro anatomico del femore è completo ed il sistema passa alla

caratterizzazione anatomica della tibia.

C) Calibrazione dei punti di repere tibiali

L’anatomical survey della tibia è concettualmente simile a quella del femore. In modo

sequenziale sono calibrati il centro del piatto tibiale, rappresentato dal punto più distale della

regione compresa tra le due prominenza della spina tibiale (center tibial plateau), sequenze di

punti del compartimento mediale e laterale del piatto tibiale e l’asse antero-posteriore neutro.

Nell’acquisizione delle superfici dei due compartimenti, il chirurgo deve fare attenzione a

raggiungere i punti più distali di entrambi i compartimenti. Sarà il sistema ad identificare,

all’interno della sequenza, il punto effettivamente più distale. Il piano ortogonale all’asse

meccanico della tibia, ovvero parallelo al piano trasversale anatomico della tibia, e tangente a

tale punto, costituirà il piano di resezione per la tibia.

Per quanto riguarda l’asse antero-posteriore “neutro”, esso può essere direttamente acquisito

come mostrato nella finestra di dialogo, oppure risulta definito indirettamente dopo la

calibrazione della tuberosità tibiale. La scelta è da impostare nello usersettings iniziale. E’

importante ricordare che tale asse è definito “neutro” poiché non è il vero asse antero-

posteriore del sistema di riferimento della tibia: esso è un asse di ausilio, non anatomico, e

verrà utilizzato in una sezione successiva dove si parlerà del posizionamento della

componente protesica nel piano trasverso della tibia.

Dopo l’Anatomical Survey della tibia, il sistema passa a quella della caviglia, poiché

entrambe servono per acquisire i punti di repere necessari per la definizione della terna

anatomica della tibia. In sequenza saranno calibrati i malleoli, mediale e laterale, ed infine “il

centro della caviglia”. L’asse meccanico della tibia, corrispondente all’asse prossimale-


40

distale, congiunge il centro della caviglia con il centro del piatto tibiale. Il “centro della

caviglia” è il risultato di un processo di calcolo: il sistema invita a digitalizzare un punto

cutaneo posto sulla caviglia, allineato con i malleoli ed approssimativamente medio tra essi;

questo punto sarà proiettato sul piano costituito dai due malleoli e dal centro del piatto

tibiale; la retta tra tale punto ed il centro del piatto tibiale intersecherà l’asse trans-malleolare

in un punto che potrà essere considerato come centro effettivo della caviglia.

Ottenuto tale punto, il navigatore procederà ad un’analisi per la sua validazione. Infatti il

sistema analizzerà ed informerà della medialità o lateralità di tale punto (in % di distanza dai

due malleoli) e lo validerà, oppure no, come centro della caviglia. La proiezione dell’asse

trans-malleolare sul piano ortogonale all’asse meccanico darà l’asse medio-laterale, mentre

l’asse antero-posteriore definitivo sarà ortogonale all’asse medio-laterale e meccanico. Il

centro della terna sarà posto nel centro del piatto tibiale.

3.3.3 Cinematica iniziale (pre-impianto)

Eseguita interamente l’anatomical survey, il sistema fornisce al chirurgo una finestra di

dialogo che riproduce la configurazione geometrica pre-impianto, entro cui sono visualizzate

in tempo reale (Fig. 3.7):

le terne anatomiche (nelle tre viste,

sagittale, frontale e coronale);

i punti calibrati;

i gradi di varo-valgo, flesso-estensione,

intra-extra rotazione.

Per una migliore valutazione della cinematica

articolare, prima di procedere con le resezioni

ossee, il sistema fornisce una successiva

finestra di dialogo in cui è possibile registrare

ed osservare i gradi delle tre rotazioni sopra

enunciate a prefissati gradi di flessione.

Infatti alla gamba del paziente è imposta una

flessione passiva in modo tale che il sistema

possa acquisire tutti i dati che si propone di

registrare (Fig. 3.8). Nella fattispecie, il

sistema prenderà nota dei valori di varo/valgo

ed intra-extra rotazione in corrispondenza di

Fig. 3.7 Vista delle terne anatomiche.

Fig. 3.8 Registrazione dei dati


41

0°, 30°, 45°, 60°, 90° di flessione.

E’ inoltre possibile valutare il comportamento dei legamenti laterale e collaterale durante

un’ulteriore flessione del paziente: ciò è opzionale, ma molto utile per valutare lo stato del

bilanciamento dei tessuti molli.

Le informazioni cinematiche acquisite in questa fase possono essere salvate dal chirurgo in

un file elettronico che sarà disponibile al termine dell’intervento. In particolare, tali

informazioni descriveranno la posa del tracker di tibia rispetto a quello di femore nei diversi

campioni di cinematica acquisiti. Infatti, per ogni frame, il navigatore fornirà un vettore con 6

elementi: i primi 3 definiscono l’origine del sistema di riferimento del tracker, o tecnico, di

tibia rispetto all’origine del riferimento tecnico di femore, gli ultimi 3 invece definiscono gli

angoli di Eulero caratterizzanti le rotazioni elementari degli assi del del primo sistema

rispetto agl’assi del secondo.

3.3.4 Navigazione tramite le gighe

A) Resezione ossea del femore distale

La strumentazione chirurgica per il navigatore

consta di una speciale giga di taglio mediante la

quale effettuare le resezioni ossee (Fig. 3.9).

Infatti il posizionamento delle guide di taglio,

che definiranno i piani di taglio, avviene sulla

base delle informazioni fornite dai piani

anatomici.

Considerando dapprima il femore, supponendo

che nello user setting iniziale sia stato impostato

prioritario rispetto alla tibia, il tracker sul femore

non viene rimosso, mentre quello sulla tibia

diventa ausiliario: viene rimosso e posizionato

sulla giga. Quest’ultima possiede un piano con le

fessure per permettere il passaggio delle lame

nella fase di resezione. Tale piano dovrà essere

allineato col piano di resezione del femore

indicato dal navigatore. Il sistema a questo punto

offre una schermata in tempo reale (Fig. 3.10)

della vista sagittale e frontale del segmento osseo

Fig. 3.10 Informazioni fornite dalla giga

Fig. 3.9 Posizionamento della giga per i

tagli ossei del femore distale


42

su cui si eseguiranno le resezioni. Ogni vista conterrà, in sovrapposizione, la linea di taglio

stimata dal sistema per quella vista e la linea di taglio della giga per la stessa vista. In tal

modo il chirurgo può correggere le posizioni angolari della giga sul piano frontale e sagittale

e registrare la schermata del corretto posizionamento con i relativi dati. Fatto ciò, la giga

viene fissata al tessuto osseo femorale tramite pin e vengono eseguite le resezioni. Eseguito

il taglio trasversale, la verifica del suo orientamento spaziale è effettuata collocandovi sopra

un semplice supporto piatto su cui è posizionato il tracker della tibia.

Dopo tale fase bisogna creare gli smussamenti dei bordi anteriore e posteriore (detti chamfer)

per poter ancorare la protesi. Ciò rappresenta forse la parte più critica dell’intervento, poiché,

se quest’ultimi tagli non risultassero ben allineati, al ginocchio protesizzato verrebbe imposto

a priori un eccessivo grado di varo-valgo e/o di intra-extrarotazione. Gli smussamenti sono

eseguiti con un particolare strumento, chiamato AP-SIZER, su cui viene montato il tracker

tibiale. Questo strumento permette di avere a disposizione diverse possibilità di taglio.

Tramite il tracker tibiale è possibile posizionare angolarmente l’AP-SIZER, concordemente

con la terna anatomica del femore.

B) Resezione ossea della tibia prossimale

La procedura per il taglio della tibia prossimale è meno complicato del precedente, in quanto

la componente protesica da posizionare ivi ha un disegno più semplice.

La giga di taglio, smontata dal femore, viene posta sulla tibia, mentre il ruolo dei tracker

s’inverte: il tracker tibiale ritorna sul pin tibiale, mentre quello femorale funge ora d’ausilio

solidale con la giga (Fig. 3.11).

Posizionata la giga di taglio, vengono controllate le varie rotazioni come nel caso del femore

ed una volta raggiunto il giusto posizionamento viene fissata sul piatto tibiale tramite pin

molto corti. La giga deve essere ortogonale alla asse anatomico della tibia (Fig. 3.12).

Giga di taglio tibiale strumentata

Tracker su tibia

Tracker su tibia

Fig. 3.12 Informazioni fornite dalla giga Fig. 3.11 Posizionamento della giga per i tagli

ossei del femore distale


43

Eseguito il taglio del piatto tibiale, un supporto piatto, che simula la componente protesica

con relativi fori d’ancoraggio, è collocato su tale taglio. Bisogna orientare l’asse antero-

posteriore di tale tool non secondo l’asse antero-posteriore della terna anatomica della tibia,

ma secondo l’asse antero-posteriore preliminare richiesto nell’anatomical survey . Questo è

l’unico caso dove è usato quest’asse.

3.3.5 Cinematica intra-operatoria

Una volta eseguite le resezioni ossee, l’apparato anatomico è pronto per ricevere la protesi.

Per evitare cattivi allineamenti dovuti a condizioni al contorno non note, il sistema prevede

la registrazione di cinematiche articolari prima dell’effettivo impianto delle protesi, tramite

l’uso di componenti protesiche di prova, ossia non definitive. Dunque, in questa fase si valuta

quali siano le giuste taglie delle componenti protesiche e quale sia la giusta spaziatura

richiesta all’inserto tibiale in polietilene. Quest’ultima è molto importante, poiché implica la

mobilità e la stabilità dell’articolazione protesizzata. Inoltre, il supporto in polietilene è uno

strumento fondamentale per la correzione dei valori cinematici: essendo il modulo più

malleabile tra le componenti protesiche del ginocchio, il chirurgo è più facilitato nella scelta

della sua spaziatura, della taglia e della forma. Queste caratteristiche strutturali dell’inserto

possono essere estremamente fondamenti per il ripristino del corretto cinematismo articolare.

La procedura di acquisizione e di valutazione della “cinematica intra-operatoria” è del tutto

uguale alla procedura descritta in precedenza per la “cinematica pre-impinto”. Anche qui è

possibile avere informazioni, seppur indirette, circa lo stato e la funzione dei legamenti per

valutare il bilanciamento dei tessuti molli.

Stabilita la taglia delle componenti protesiche e controllato che tutte le varabili cinematiche

siano fisiologicamente corrette mediante l’acquisizione della cinematica articolare, si procede

con l’ancoraggio delle componenti protesiche definitive tramite la cementazione delle

protuberanze protesiche negli appositi scassi ossei. Effettuato l’impianto e suturata la capsula

articolare, è eseguito un ulteriore controllo della cinematica articolare, denominata

“cinematica intra-operatoria”.

3.3.6 Rapporto finale

Il sistema, al termine dell’intervento di artroplastica, produce un rapporto finale in cui sono

riassunti: generalità del paziente, valori cinematici relativi al pre-impianto e all’intra-

operatorio e tutto ciò che il chirurgo riterrà opportuno memorizzare.


44

3.4 Aspetti innovativi per lo studio del tracking rotuleo con la

navigazione chirurgica

Per poter includere la navigazione della rotula nell’artroplastica totale di ginocchio con

navigazione standard, è stato necessario estendere ed adeguare il preesistente software Knee

Navigation 4.0 creando una nuova versione “per la ricerca”, configurata in modo tale da poter

raccogliere dati statici e cinematici anche dell’articolazione femoro-rotulea ed effettuare la

verifica dei tagli sulla rotula.

L’ intera procedura è stata approvata dal comitato etico dell’ Istituto Ortopedico Rizzoli di

Bologna, tutti i pazienti hanno firmato il consenso informativo prima dell’intervento.

La stesura del protocollo che verrà descritto in seguito è frutto di diversi anni di lavoro e di

sperimentazioni in-vitro, alla ricerca di nuovi metodi e strumenti che permettessero una

sicura, accurata e affidabile navigazione della rotula. Tuttora, il “nuovo” navigatore non è

stato approvato per usi clinici e dunque, per motivi etici, è necessaria la presenza di un

sistema di navigazione aggiuntivo (in seguito denominato “navigatore per la ricerca”), oltre a

quello standard, e soprattutto di un ingegnere specializzato che guidi e assista il chirurgo

durante tutto l’intervento. I navigatori vengono utilizzati entrambi ma in modo selettivo;

infatti, a seconda delle acquisizioni da effettuare, vengono oscurate le telecamere di uno o

dell’altro.

Fig. 3.13 Sistema di navigazione standard affiancato ad un sistema di navigazione

sperimentale, per lo studio del tracking rotuleo [18].


45

A causa della complessa e ridotta geometria della rotula, è stato necessario pensare a nuove

procedure chirurgiche e a tool aggiuntivi, o adattare quelli già esistenti alle condizioni

morfologiche e funzionali e alle nuove esigenze che impone la navigazione della rotula. In

particolare, per stimare lo spessore della rotula intatta, è stata introdotta la digitalizzazione

delle sue superfici anteriore e posteriore attraverso le quali il sistema effettua una misura

accurata, in sostituzione (o in aggiunta) all’utilizzo manuale, ma non troppo preciso, del

calibro. La definizione della resezione della rotula è stata divisa in due passi: in primo luogo

viene appropriatamente posizionata la guida di taglio strumentata con una sonda piatta (Fig.

3.14); successivamente, per controllare il corretto allineamento del piano di taglio rispetto al

sistema di riferimento anatomico della rotula, viene utilizzata una sonda a forma di trifoglio

(Fig. 3.15), composta da tre piattini perforati, ciascuno corrispondente a una diversa taglia

della componente protesica rotulea. Questa sonda viene anche utilizzata per stimare la

posizione corretta della componente rotulea lungo gli assi prossimo-distale e medio-laterale.

E’ importante ricordare che lo spessore finale della rotula, dopo l’impianto della componente

protesica, deve essere lo stesso di quello della rotula intatta, e che il punto più posteriore della

componente impiantata deve essere il più vicino possibile a quello più posteriore della rotula

intatta nel suo sistema di riferimento anatomico.

Poiché è necessario definire un sistema di riferimento locale anche sulle due sonde prima

citate, è possibile effettuare questi passi anche prima dell’inizio dell’intervento per

risparmiare tempo e non necessariamente dal chirurgo, ma anche da un altro membro sterile

del personale della sala operatoria. Per quanto riguarda l’acquisizione della cinematica

dell’articolazione femoro-rotulea, vengono registrate le rotazioni della rotula (flessione,

Fig. 3.14 Sonda piatta per la definizione

del piano di taglio della rotula. Fig. 3.15 Sonda per la verifica del piano di

taglio della rotula


46

rotazione e tilt) e le traslazioni lungo i tre assi del femore, sia prima che dopo l’impianto, per

effettuare un confronto e valutare le differenze.

Per la nuova procedura sulla rotula non è stato possibile applicare su di essa gli stessi tracker

che vengono utilizzati per la navigazione del femore e della tibia, in quanto questi hanno un

peso e delle dimensioni troppo elevati, non adatti alle piccole dimensioni e alla geometria

della rotula. Poiché lo scopo principale delle ricopertura della rotula mediante l’ausilio della

navigazione chirurgica è quello di stimare intra-oparatoriamente la sua cinematica, il tracker

della rotula non deve influenzare o inficiare le azioni del chirurgo e, viceversa, non deve

essere intaccato dalle azioni del chirurgo. Quindi deve avere una forma adatta per rispondere

a tali esigenze e deve essere posizionato in modo da rendere fattibili manovre chirurgiche

come il taglio della rotula, la cementazione della componente protesica, il posizionamento e

la fissazione anche delle componenti femorale e tibiale. Per la rotula è stato quindi realizzato

un tracker totalmente nuovo e molto diverso da quelli convenzionali, costituito da una mesh

metallica con un settore circolare per poter introdurre al suo interno gli strumenti chirurgici.

Sulla parte superiore viene posta una maschera con diversi LED (solitamente utilizzata nella

chirurgia maxillo-facciale); di questa, in realtà, viene utilizzata solo una piccola parte,

attaccata alla mesh metallica con nastro adesivo sterile. La fissazione alla superficie ossea

anteriore della rotula viene effettuata mediante quattro piccole viti metalliche monocorticali.

Il tracker viene poi collegato all’alimentazione, la cui unità, non essendo sterile, è posta in

una busta sterile esternamente (Fig. 3.16). Tutte queste caratteristiche del tracker in questione

(in particolare la forma, il peso trasurabile sia della mesh metallica che della maschera con i

LED, l’unità di alimentazione separata) servono per evitare effetti gravitazionali e di inerzia

sulla rotula che sarebbero deleteri e fuorvianti per una corretta stima della cinematica.

Fig. 3.16 Tracker della rotula prima della

sua applicazione


47

3.5 Protocollo per la ricopertura della rotula con il navigatore per

la ricerca La nuova procedura per la ricopertura della rotula che prevede l’utilizzo di un ulteriore

navigatore chirurgico, ancora in fase sperimentale, segue un preciso protocollo che, dopo

diverse fasi di validazione, ha ottenuto l’approvazione del Comitato Etico. Si tratta di un

protocollo internazionale, nato dalla collaborazione dello I.O.R. con la Stryker-Leibinger.

Sotto, per ciascun passo, verrà fornita una descrizione dettagliata includendo le foto e le

snapshot relative ai passaggi salienti collezionate durante uno dei sei interventi realizzati.

RESEARCH PROTOCOL FOR

IN-VIVO NAVIGATED

PATELLAR RESURFACING

Version 4b

Istituto Ortopedico Rizzoli - Bologna

Belvedere C., Catani F., Leardini A., Ensini

A., Giannini S.

STEPS

numbers: steps required by the research

software for navigated patellar resurfacing;

In parentheses: info provided after digitization.

Printed in blue: skip this step if patella does not

get resurfaced

DESCRIPTION / COMMENTS

A Patient preparation

Ahead of surgery: wash and sterilize shaped meshes and

asset of screws according to the user manual. These items

and the ENT masks are single use. Have both prepared

mesh sizes available for

each case.

In patient preparation and during the surgery no tourniquet

will be used. This way kinematics will be closer to reality.

Maximum allowed total OR time is 2 hours, including TKA


48

routine & patella research procedure.

B Patellar tracker assembling

Sterile personnel & equipment:

1) Select correct mesh size to fit the subject’s patella; the mesh must be completely dry. Have mask, COM unit, battery, and Ioban drape ready.

2) Identify the correct branch of the mask and tear the paper stripe off.

3) Consider leg side, and camera & COM unit position – then glue the mask LEDs tightly onto the mesh. Tightly cover and firmly press down the LEDs by a piece of Ioban drape, avoiding wrinkles. Encapsulate the mesh tracker by Ioban from both sides (convex and concave side).

4) Insert mask connector to COM unit (“click” sound) and close box. Enter battery and test the assembly (green light must flash when button is pressed). Otherwise review assembly.

5) Drape whole mask and COM unit with Ioban from both sides (“sandwich”).

6) Cautiously cut off excess Ioban. 7) Do NOT initiate the patella tracker before it has

been fixed final on the patella. 8) Have screw driver, square-fit screw driver blade,

and Autopilot screws ready.

C Activation of the standard navigation

system

D Activation of the research navigation

system

E Clinical camera shutter closing

Research camera shutter opening

Shutter closing is necessary in order to not create

navigation system conflict

1 Resection plane probe (X, X, Perp)

frame definition

+x point at the right, -x at the left patella side,

-z point at the distal side of the patella.

object_name_1=Pointer

reference_name_1=Tibia tracker

2 Cut plane verification probe (X, X,

Perp) frame definition

+x point at the right, -x at the left patella side,



reference_name_1=Tibia tracker

Use second probe to level the arrangement. Keep in mind

probe thickness (not necessary if the points are digitized

on a support with the some probe thickness).

3 Mask tracker initialization After final patellar fixation and setup of the patella tracker

assembly, make the leg rest motionless with the tracker


49

visible to the Research camera.

Use mouse or pointer clicks to initialize the mask tracker

(will require three clicks); tracker must not move relative to

camera during this step.

4 Mesh screw digitization 1 Digitize the four screws in this order: proximal / lateral,

distal / lateral, proximal / medial, distal / medial.

F Research camera shutter closing

Clinical camera shutter opening



G Standard anatomical survey by clinical

navigation system

Mark the femoral epicondyles and the knee center by a

surgical pen. These landmarks will serve to exactly

replicate the femur survey on the research system.

H Clinical camera shutter closing




5 Simplified Anatomical survey redo by

research navigation system

Using the pen marks, collect the coordinate-system

relevant points of the anatomy survey with the research

system. Particularly, the hip centre must be assessed

again and the marked points to be digitized again are:

1) on the femur: medial & lateral epicondyles, knee centre;

2) on the tibia: tibial spine centre and lateral & medial

malleoli.

(Copying the data from the clinical system is not possible

due to format incompatibility).

6 Anatomic patella

+x point at the right, -x at the left patella side.\



reference_name_1=Patella tracker

7 Posterior patellar surface Point digitization on the most posterior portion of the

patellar crest (Curved Pointer recommended).

8 Anterior patellar surface Point digitization on the most prominent anterior aspect

8a (patella thickness) Pushing the button “next” the system visualizes a chart

including the native patellar thickness

8b (patella sizing and resection depth

estimation)

Pushing the button “next” the system visualizes a chart

including a patella width measure (x distance from most

posterior to most medial patella point) and a preliminary

resection depth estimate).

9 Patellar trial surface

Digitization of patellar component dome mounted on the

instrumented Cut plane verification probe (only most

prominent points required). Keep in mind probe thickness

and the height of metal pins in IOR patellar resurfacing

equipment.


50

10 Native femoral groove

Point digitization on Intact intercondylar notch/groove. Info

used to visualize patellar motion path and, in the future, for

medio-lateral alignment of the femoral component

11 ROM Native Knee (osteophytes off,

initial release done; capsule re-closed)

Knee ROM after osteophytes removal and soft tissue

balancing at 0° mechanical axis, and initial release done.

The capsule is closed by a few stitches or by clamps.

11a (TFJ rot values) Pushing the button “next” the system visualizes a chart

including TFJ rotation values

11b (PFJ rot values) Pushing the button “next” the system visualizes a chart

including PFJ rotation values

11c (PFJ transl values) Pushing the button “next” the system visualizes a chart

including TFJ translation values

I Research camera shutter closing




J TKA by clinical navigation system Perform standard navigated Total Knee Replacement

K Clinical camera shutter closing




12 Mesh screw digitization 2

Digitize the four screws in this order: proximal/lateral, distal

/ lateral, proximal / medial, distal / medial. (Serves as

tracker fixation verification).

13 ROM Native Patella on Femur Trial

Movement registration with active femoral, tibial and

patellar trackers onto corresponding bony segments. Next

button will turn up kinematic charts.

13a (PFJ rot values) Pushing the button “next” the system visualizes a chart


13b (PFJ rot values) Pushing the button “next” the system visualizes a chart


13c (PFJ transl values)

Pushing the button “next” the system visualizes a chart

including TFJ translation values.

Do not execute the following steps printed in blue if patella

remains un-resurfaced.

14 patellar resection Use patellar cut jig with instrumented Resection plane

probe to find correct orientation for the patellar cut

15 patellar trial verification

With patella resected, use the instrumented Cut plane

verification probe to check for patellar cut (resection depth

and angular alignment). Adjust PD and ML translation –

target at zero distance with respect to intact posterior

patella. Fixate probe. Re-confirm alignment, then drill

patella peg holes.

16 Femur trial groove Point digitization on trial femur intercondylar notch/groove.

Info used to visualize patellar motion path and, in the

future, for medio-lateral alignment of the femoral


51

component

17 patellar implant surface Once the patella is fixed, Digitize the patellar component

dome

17a (button position) Pushing the button “next” the system visualizes a chart

including the position of the resurfaced patella

17b (post-operative patella thickness) Pushing the button “next” the system visualizes a chart

displaying the thickness of the resurfaced patella

18 ROM Patella Trial on Trial Femur Movement registration with active femoral, tibial and

patellar trackers onto corresponding bony segments.

18a (patellar motion path on trial

intercondylar groove)

Visualization of patellar motion path on intact anc

prosthetic patellar groove

18b (TFJ rot values) Pushing the button “next” the system visualizes a chart

including TFJ rotation values

18c (PFJ rot values) Pushing the button “next” the system visualizes a chart


18d (PFJ transl values) Pushing the button “next” the system visualizes a chart

including TFJ translation values

19 Femur beads Femoral tantalum beads

20 Femur component Femoral component landmarks

21 Tibia beads Tibial tantalum beads

22 Tibia component Tibial component landmarks

23 Patella beads Patellar tantalum beads (in case of resurfacing, the beads

will be fixed into most anterior portion of the three pegs)

24 Patella component Patellar component landmarks

25 Mesh screw digitization 3

Digitize the four screws in this order: proximal/lateral, distal

/ lateral, proximal / medial, distal / medial. (Serves as

tracker fixation verification).

L Patella tracker removal

Before closing the knee make sure all mesh screws have

been explanted and secured outside the wound on the OR

table.

M Research camera shutter closing


Shutter closing is necessary in order to not create navigation

system conflict

N ROM Final kinematics by clinical

navigation system


52

A) Preparazione del paziente

Prima dell’intervento: lavare e sterilizzare la mesh e le viti secondo il manuale d’uso. Questi

elementi e le maschere sono monouso. Nella preparazione del paziente e durante l’intervento,

il laccio non viene utilizzato oppure utilizzato solo per una prima parte dell’intervento. In

questo modo le cinematiche saranno più simili a quelle reali e il rischio di formazione di

emboli sarà ridotto.

B) Montaggio del tracker della rotula

Personale ed equipment sterili (Fig. 3.17):

1) Selezionare la taglia corretta della mesh che si adatti alla rotula del soggetto; la

mesh deve essere completamente asciutta. Preparare la maschera, il vano batteria, la

batteria e il nastro adesivo sterile.

2) Identificare la parte corretta della maschera da utilizzare e staccare la carta. Sono

necessari almeno 3 LED per la costruzione di un riferimento tecnico.

3) Posizionare la telecamera in base al lato della gamba da operare, poi attaccare

strettamente la maschera con i LED sulla mesh ricoprendola con nastro adesivo

sterile. Rivestire il tracker con il nastro adesivo sterile da entrambi i lati (lato

convesso e concavo).

4) Collegare il connettore della maschera al vano batteria e metterli in una busta

esternamente sterile. Inserire la batteria e testare la correttezza del montaggio (la luce

verde deve lampeggiare quando il pulsante viene premuto).

5) Coprire la maschera e il vano batteria con nastro adesivo sterile da entrambi i lati.

6) Tagliare il nastro adesivo in eccesso.

7) Non inizializzare il tracker della rotula prima del suo fissaggio definitivo

8) Tenere pronti il cacciavite e le viti.

C) Attivazione del sistema di navigazione standard

Fig. 3.17 Montaggio del tracker della rotula tramite

quattro viti monocorticali


53

D) Attivazione del sistema di navigazione per la ricerca

E) Chiudere l’otturatore della telecamera del navigatore standard (per uso clinico)

Aprire l’otturatore della telecamera del navigatore per la ricerca

La chiusura dell’otturatore è necessaria per non creare un conflitto tra i siatemi di

navigazione.

1) Definizione del sistema di riferimento (X,X,Perp) sul piattino per la resezione

Questo step deve essere eseguito prima dell’inizio del’intervento per risparmiare tempo.

La definizione del sistema di riferimento sul piattino avviene tramite la digitalizzazione di tre

punti (Fig. 3.18) :

1° (+ x) : punto più a destra (valore più positivo lungo l’asse

medio-laterale)

2° (- x) : punto più a sinistra (valore più negativo lungo l’asse

medio laterale)

3° (- z) : punto sul lato distale della rotula (valore più negativo

lungo l’asse prossimo-distale)

La proiezione del 3° punto sull’asse x definisce l’origine.

A causa della geometria del piattino per la verifica del piano di

taglio e della geometria della rotula, è essenziale definire questo

sistema di riferimento nello stesso modo in cui sarà definito il

sistema di riferimento anatomico della rotula. Questo piattino è

usato per determinare e controllare il corretto allineamento

della giga di taglio, e dunque il livello di resezione, sulla parte

posteriore della rotula. Vi è attaccato il tracker della tibia e deve essere ortogonale all’asse

antero-posteriore della rotula.

2) Definizione del sistema di riferimento (X,X,Perp) sulla sonda per la verifica del piano

di taglio

Anche questo step deve essere eseguito prima dell’inizio dell’intervento. La definizione del

sistema di riferimento sulla sonda per la verifica del piano di taglio avviene tramite la

digitalizzazione di tre punti (Fig. 3.19 ) :

1° (+ x) : punto più a destra (valore più positivo lungo l’asse medio-laterale)

2° (- x) : punto più a sinistra (valore più negativo lungo l’asse medio laterale)

3° (- z) : punto sul lato distale della rotula (valore più negativo lungo l’asse prossimo-distale)

La proiezione del 3° punto sull’asse x definisce l’origine.

Fig 3.18 Punti da

digitalizzare per la

costruzione del sistema

di riferimento sul

piattino per la resezione.


54

A causa della geometria della sonda per la verifica del piano di taglio e di quella della rotula,

è essenziale definire questo sistema di riferimento nello stesso modo in cui sarà definito il

sistema di riferimento anatomico della rotula (Step 6).

La sonda per la verifica del piano di taglio viene utilizzata per verificare il corretto

allineamento del taglio della rotula rispetto al suo sistema anatomico. La stessa sonda con la

componente di prova della rotula sarà usata per definire la posizione più appropriata della

componente rotulea sul piano di taglio. Anche su questa sonda viene attaccato il tracker di

tibia.

3) Inizializzazione della maschera

Dopo la fissazione definitiva e l’assemblaggio del tracker della rotula, tenere la gamba

immobile con il tracker visibile alla telecamera del navigatore per la ricerca. Usare il click del

mouse o del pointer per inizializzare la maschera (verranno richiesti tre clicks dal computer);

il tracker non deve muoversi rispetto alla telecamera durante questo step.

4) Digitalizzazione n.1 delle viti della mesh

Digitalizzazione le quattro viti in questo ordine: prossimale/laterale, distale/laterale,

prossimale/mediale, distale/mediale.

F)Chiudere l’otturatore della telecamera del navigatore per la ricerca

Aprire l’otturatore della telecamera del navigatore standard (per uso clinico)

G) AnatomicSurveystandard con il sistema di navigazione clinico

Segnare gli epicondili e il centro del ginocchio con una penna dermografica. Questi punti

serviranno per replicare esattamente la survey sul femore con il sistema per ricerca.

H) Chiudere l’otturatore della telecamera del navigatore standard (per uso clinico)

Aprire l’otturatore della telecamera del navigatore per la ricerca

5) Ripetere l’Anatomic Survey con il sistema di navigazione per la ricerca.

Fig. 3.19 Digitalizzazione dei

punti sulla sonda per la verifica

del piano di taglio al fine di

definire il sistema di

riferimento.


55

Con il sistema per la ricerca, digitalizzare i punti rilevanti per l’AnatomicSurvey

precedentemente segnati. Il centro d’anca deve essere stimato nuovamente e i punti

contrassegnati da digitalizzare di nuovo sono:

1) sul femore: epicondili mediale e laterale, centro del ginocchio;

2) sulla tibia: centro della spina tibiale e malleoli laterale e mediale.

(Non è possibile copiare i dati dal sistema clinico a causa dell’incompatibilità del formato).

6) Definizione del sistema di riferimento anatomico sulla rotula

La definizione del sistema di riferimento sulla rotula è basata sulla sua anatomia e avviene

tramite la digitalizzazione di tre punti (Fig. 3.20) :

1° (+ x) : punto più a destra (valore più positivo lungo l’asse

medio-laterale): corrisponde al punto più mediale sul

margine mediale della rotula.

2° (- x) : punto più a sinistra (valore più negativo lungo l’asse

medio-laterale): corrisponde al punto più laterale sul margine

laterale della rotula.

3° (- z) : punto sul lato distale della rotula (valore più

negativo lungo l’asse prossimo-distale): corrisponde all’apice

distale della rotula. La proiezione del 3° punto sull’asse x

definisce l’origine.

7) Digitalizzazione della superficie posteriore della rotula

Questo step, insieme al successivo, consente di stimare correttamente lo spessore della rotula

intatta. Questo dato sarà usato dal chirurgo per stabilire se la rotula deve essere protesizzata o

meno. In caso positivo, suggerisce quanto osso deve essere rimosso senza causare problemi

alla rotula, come la frattura in caso di una rotula sottile.

L’acquisizione di questa superficie è basata sulla digitalizzazione di diversi punti sulla parte

posteriore della rotula (Fig. 3.21). Il chirurgo deve prestare attenzione a digitalizzare questi

punti sulla parte più posteriore della cresta la quale si estende principalmente sulla parte

mediale della superficie articolare della rotula.

Fig. 3.20 Sono mostrati i

tre punti da digitalizzare

sulla rotula per la

definizione del sistema di

riferimento anatomico


56

8) Digitalizzazione della superficie anteriore della rotula

Questo step, come il precedente, serve per stimare lo spessore della rotula intatta e come

suggerimento al chirurgo per la ricopertura della rotula e per la quantità di osso da rimuovere.

L’acquisizione di questa superficie è basata sulla digitalizzazione di diversi punti sulla parte

anteriore della rotula (Fig. 3.22). Il chirurgo deve prestare attenzione a digitalizzare questi

punti non sulla pelle che ricopre la rotula, ma sulla parte più prominente della superficie

ossea anteriore visibile dopo l’incisione cutanea e una piccola dissezione.

Il chirurgo può misurare manualmente, per mezzo di un calibro, lo spessore della rotula

nativa.

8 a) Spessore della rotula

Selezionando ”Next“ sul monitor, il sistema visualizza un grafico con lo spessore della rotula

nativa.

8 b) Stima della taglia della componente rotulea e dell’altezza della resezione

Selezionando ”Next“ sul monitor, il sistema visualizza un grafico con la misura della

larghezza della rotula (distanza x tra il punto più posteriore a quello più mediale) e una stima

preliminare dell’altezza della resezione.

9) Digitalizzazione della superficie della componente di prova della rotula

Fig. 3.21 Procedura di digitalizzazione della

superficie posteriore della rotula nativa mediante

un puntatore curvo

Fig. 3.22 Procedura di digitalizzazione della

superficie anteriore della rotula nativa mediante

un puntatore curvo


57

Digitalizzazione della superficie della componente di prova rotulea montata sulla sonda per la

verifica del piano di taglio (richiesti solo i punti più prominenti). Ricordare lo spessore della

sonda e l’altezza dei pin metallici (il tutto circa 7 mm) all’equipement.

10) Digitalizzazione della troclea femorale intatta

Questo step richiede la digitalizzazione della superficie del solco intercondilare del ginocchio

intatto. Queste informazioni verranno utilizzate per visualizzare i movimenti della rotula

intatta (per confrontarli poi con quelli registrati dopo l’impianto) e, successivamente, per

l’allineamento medio-laterale della componente femorale.

11) Registrazione della cinematica pre-operatoria del ginocchio intatto

Viene stimata la cinematica dl ginocchio dopo la rimozione di alcune deformità, come quelle

dovute alla presenza di osteofiti. L’analisi della cinematica dell’articolazione femoro-rotulea

può permettere al chirurgo di avere una vista più ampia del comportamento dell’articolazione

intatta dopo la rimozione degli osteofiti e aiutarlo nella scelta della più appropriate azioni

chirurgiche.

Viene imposto e registrato, per più di una volta, un’ampia escursione di flesso-estensione del

ginocchio, cercando di non introdurre un’eccessiva rotazione interna/esterna del ginocchio.

Durante questo step la capsula viene chiusa provvisoriamente con 4/5 punti.

11 a) Valori delle rotazioni della TFJ

Selezionando ”Next“ sul monitor, il sistema visualizza un grafico con i valori delle rotazioni

dell’articolazione tibio-femorale (varo/valgo, rotazione interna/esterna) (Fig. 3.23).

11 b) Valori delle rotazioni della PFJ

Selezionando ”next“ sul monitor,” il sistema visualizza un grafico con i valori delle rotazioni

dell’articolazione femoro-rotulea (flessione, rotazione, tilt).

Fig. 3.23 Snapshot relativa alla cinematica

pre-operatoria dell’articolazione tibio-

femorale: il grafico mostra in colori distinti

(legenda indicata in basso) la rotazione

interna-esterna e il varo-valgo in funzione

della flessione


58

11 c) Valori delle traslazioni della PFJ

Selezionando ”next“ sul monitor,” il sistema visualizza un grafico con i valori delle

traslazioni dell’articolazione femoro-rotulea (traslazioni della rotula lungo gli assi x, y e z del

femore) (Fig. 3.24, Fig. 3.25).

Viene riaperta la capsula (rimozione punti).

I) Chiudere l’otturatore della telecamera del navigatore per la ricerca


J) TKA con il sistema di navigazione standard (per uso clinico)

Viene eseguito l’impianto di protesi totale di ginocchio con la navigazione standard.

K)Chiudere l’otturatore della telecamera del navigatore per la ricerca


12) Digitalizzazione n.2 delle viti della mesh

Digitalizzare le quattro viti in questo ordine: prossimale/laterale, distale/laterale,

prossimale/mediale, distale/mediale (Serve come verifica della fissazione del tracker).

13) Registrazione della cinematica della rotula intatta sulle componenti di prova di

femore e tibia

La capsula viene di nuovo chiusa provvisoriamente e viene effettuata la registrazione della

cinematica con i tracker attivi di femore, tibia e rotula posti sui corrispondenti segmenti ossei.

Premendo “Next” verranno visualizzati i grafici delle cinematiche.


pre-operatoria dell’articolazione femoro-

rotulea: il grafico mostra in colori distinti

(legenda indicata in basso) le tre rotazioni

della rotula intatta in funzione della flessione

tibio-femorale.


pre-operatoria dell’articolazione femoro-

rotulea: il grafico mostra in colori distinti

(legenda indicata in basso) le tre traslazioni

della rotula intatta in funzione della flessione

tibio-femorale.


59

13 a) Valori delle rotazioni della TFJ

Selezionando ”next“ sul monitor, il sistema visualizza un grafico con i valori delle rotazioni

dell’articolazione tibio-femorale (varo/valgo, rotazione interna/esterna).

13 b) Valori delle rotazioni della PFJ

Selezionando ”next“ sul monitor, il sistema visualizza un grafico con i valori delle rotazioni


13 c) Valori delle traslazioni della PFJ

Selezionando ”Next“ sul monitor, il sistema visualizza un grafico con i valori delle


femore).

14) Resezione della rotula

Usare la giga di taglio con il piattino strumentato per trovare il corretto orientamento e la

giusta altezza per la resezione della rotula (Fig 3.26). Il piattino deve essere inserita nella

clamp (foto) e deve essere allineata con gli assi x e z del sistema di riferimento anatomico

della rotula. Sul monitor verranno visualizzati grafici in 3D del piano di taglio preliminare sui

piani anatomici della rotula (Fig. 3.27). Il piano di taglio preliminare deve essere il più

possibile parallelo al piano frontale. Una volta identificato l’allineamento appropriato, il

chirurgo fissa la morsa e sul monitor viene visualizzato la stima dell’osso che verrebbe

rimosso con la morsa in quella data posizione. Riconfermare l’allineamento, rimuovere la

sonda piatta e iniziare a segare.

Fig. 3.26 Taglio della rotula: in un

apposito spazio della clamp viene

inserito il piattino strumentato per

effettuare il controllo dell’altezze e

dell’orientamento della resezione

Fig. 3.27 Snapshot che dà informazioni

sull’altezza e sull’orientamento del taglio

della rotula


60

15) Verifica della componente di prova della rotula

Una volta tagliata la rotula, usare la sonda strumentata per verificare il posizionamento della

componente di prova della rotula (Fig. 3.28). La vista sui piani xy e yz della rotula

potrebbero essere utili per l’identificazione dell’allineamento più appropriato (Fig. 3.29).

Aggiustare le traslazioni PD e ML: il target è una distanza nulla rispetto alla rotula intatta.

Fissare la sonda, riconfermare l’allineamento e poi effettuare i tre buchi col trapano per

l’inserimento dei peg della rotula.

16) Digitalizzazione della troclea femorale della componente di prova

Questo step richiede la digitalizzazione della superficie del solco intercondilare della

componente di prova del femore. Le informazioni sono usate per visualizzare il moto della

rotula e, successivamente, l’allineamento medio-laterale della componente femorale.

17) Digitalizzazione della superficie della componente di prova della rotula

La componente di prova della rotula deve essere posizionata nella sonda per la verifica del

piano di taglio e, una volta fissata, il chirurgo ne digitalizza la superficie (Fig. 3.30),

includendo il punto più prominente (indicato sul monitor da una sfera).

Fig. 3.28 Verifica della componente di

prova della rotula mediante la sonda

strumentata per la verifica del piano di

taglio

Fig. 3.29 Snapshot che dà informazioni

sul posizionamento della componente di

prova della rotula


61

17 a) Button Position

Selezionando ”Next“ sul monitor, il sistema visualizza un grafico con la posizione della

rotula protesizzata.

17 b) Spessore della rotula dopo l’impianto

Selezionando ”Next“ sul monitor, il sistema visualizza un grafico che mostra lo spessore

della rotula protesizzata.

18) Registrazione della cinematica della componente di prova della rotula sulla

componente di prova del femore

Una volta chiusa la capsula (provvisoriamente), viene effettuata la registrazione della

cinematica con i tracker attivi di femore, tibia e rotula posti sui corrispondenti segmenti ossei.

18 a) Visualizzazione dei movimenti rotulei sul solco intercondilare della componente di

prova del femore.

18b) Valori delle rotazioni della TFJ


dell’articolazione tibio-femorale (varo/valgo, rotazione interna/esterna).

18c) Valori delle rotazioni della PFJ



18 d) Valori delle traslazioni della PFJ

Selezionando ”Next“ sul monitor, il sistema visualizza un grafico con i valori delle


femore) (Fig. 3.31).

Fig. 3.30 Digitalizzazione della superficie

della componente di prova della rotula


62

Al fine di effettuare un confronto tra la cinematica dell’articolazione intatta con quella che si

ottiene dopo l’impianto delle componenti protesiche di prova, vengono visualizzati in uno

stesso grafico le rotazioni (o le traslazioni) relative alle due situazioni.

Impianto e cementazione delle componenti definitive

Essendo in progetto un successivo controllo fluoroscopico a sei mesi dall’impianto, vengono

impiantati dei pallini di tantalio, dal diametro di 0.8 mm, nella componente rotulea nel

femore e nella tibia

19) Inserimento dei pallini di tantalio nel femore

20) Digitalizzazione della componente femorale

Digitalizzazione di alcuni repere della componente femorale

21) Inserimento dei pallini di tantalio nella tibia

22) Digitalizzazione della componente tibiale

23) Inserimento dei pallini di tantalio nella componente rotulea

In caso di protesizzazione, i pallini (dal diametro di 0.8 mm) saranno fissati nella parte più

anteriore dei tre pegs.

24) Digitalizzazione della componente rotulea

Digitalizzare i punti più prominenti e il bordo protesi-osso.

25) Digitalizzazione 3 delle viti della mesh

Digitalizzare le quattro viti in questo ordine: prossimale/laterale, distale/laterale,

prossimale/mediale, distale/mediale (serve per la verifica della fissazione del tracker)

26) Registrazione della cinematica delle componenti protesiche definitive con il sistema

di navigazione della ricerca (ROM post-op)

Questo step prevede la registrazione della cinematica del ginocchio dopo l’impianto finale

delle componenti di femore, tibia e rotula. L’analisi delle variabili cinematiche

Fig. 3.31 Snapshot relativa alla

cinematica dell’articolazione femoro-

rotulea (pre-operatoria e con le

componenti di prova): il grafico mostra

le tre rotazioni (flessione, tilt e rotazione)

della rotula sul femore in funzione della

flessione tibio-femorale. I cerchi pieni

sono relativi alla cinematica pre-

operatoria e i cerchi vuoti alla

cinematica misurata dopo l’impianto

delle componenti di prova.


63

dell’articolazione femoro-rotulea permette al chirurgo di valutare la riuscita dell’impianto

totale finale di ginocchio.

L) Rimozione del tracker della rotula

Prima di chiudere il ginocchio suturando la ferita, bisogna essere sicuri che tutte le viti della

mesh siano state rimosse e siano fuori dalla ferita, sul tavolo operatorio.

M) Chiudere l’otturatore della telecamera del navigatore per la ricerca


27) Registrazione delle cinematiche finali con il sistema di navigazione standard

Questo step prevede la registrazione della cinematica del ginocchio dopo l’impianto finale

delle componenti di femore, tibia e rotula. L’analisi delle variabili cinematiche

dell’articolazione femoro-rotulea permette al chirurgo di valutare la riuscita dell’impianto

totale finale di ginocchio.

3.6 Post- processing

I risultati elaborati dei primi dieci pazienti, sottoposti alla TKA con la navigazione

chirurgica standard e della rotula, sono già stati pubblicati [6]. Per completare il lavoro di

tesi sono stati elaborati i dati dei restati dieci pazienti sottoposti alla medesima procedura.

Il software utilizzato per l’elaborazione dei dati è il pacchetto Matlab 7.12. I dati vengono

estrapolati dal file elettronico fornito dal software del navigatore con estensione “.tka4”.

Per ogni paziente sono state analizzate quattro fasi dell’intervento:

1. Pre-operatoria: fase precedente all’impianto, dunque con l’articolazione intatta del

paziente;

2. Intraoperatoria: fase in cui sono state impiantate le componenti di prova di femore e

tibia, con ancora la rotula intatta;

3. Intraoperatoria: fase in cui sono state impiantate le componenti di prova, inclusa

quella rotulea;

4. Post-operatoria: fase dopo l’impianto e la cementificazione delle componenti

protesiche definitive;

Nel file Matlab, per ogni fase operatoria, sono state riportate le matrici di movimento per

tibia, femore e rotula, queste matrici rappresentano un punto di repere del segmento osseo del

quale vengono fornite le pose nei diversi istanti di tempo campionati. Quindi le prime tre

colonne di queste matrici indicano la posizione del riferimento anatomico del segmento osseo

in questione rispetto a quello globale delle telecamere, le restanti tre colonne dichiarano quali

siano gli angoli di Eulero del riferimento anatomico del segmento osseo rispetto a quello


64

delle telecamere. In particolare, il punto rappresentativo del moto della tibia è il centro della

spina tibiale; per il femore, il centro del ginocchio e per la rotula, vengono fornite le pose del

suo centro. Inoltre nello stesso file sono riportate le coordinate digitalizzate che sono

utilizzate per costruire la matrice di rotazione dal sistema di tracker a quello anatomico. I

dati forniti dal navigatore sono nel sistema di riferimento globale quindi è indispensabile

creare un sistema di riferimento anatomico, come descritto nel capitolo 1. Successivamente

sono stati calcolati tutti i gradi di libertà rotazionali e traslazionali dell’articolazione tibio-

femorale e femoro-rotulea per ogni fase operatoria. In particolare, dell’articolazione tibio-

femorale sono state calcolate:

- le rotazioni articolari, sui tre piani anatomici, della tibia rispetto al femore;

- le traslazioni della tibia lungo i tre assi del sistema anatomico di femore;

- le traslazioni del femore lungo i tre assi del sistema anatomico di tibia;

Per l’articolazione femoro-rotulea, invece, sono state calcolate:

- le rotazioni articolari, sui tre piani anatomici, della rotula rispetto al femore;

- le traslazioni della rotula i tre assi del sistema anatomico di tibia;

Poi è stato effettuato il filtraggio e l’interpolazione delle variabili cinematiche descritte

sopra. L’interpolazione viene effettuata per ogni grado in un intervallo da 0° a 140° per la

flessione e da 140° a 0° per l’estensione della tibia rispetto al femore. È da precisare che la

flesso-estensione dell’articolazione tibio-femorale del ginocchio è l’unico grado di libertà

imposto dal chirurgo durante l’intervento. A questo punto sono state create le curve di tutte le

cinematiche in funzione della flesso-estensione della TFJ per le diverse fasi operatorie, e

sovrapposte alle fasce di normalità. Quest’ultime sono state ricavate da 20 cadaveri non

patologici mediante la procedura con navigazione chirurgica descritta da Belvedere et al.,

2009 [5].

Per avere un quantitativo di dati sufficiente per trarre conclusioni statistiche attendibili, in

questo elaborato, sono riportate le cinematiche della fase post-operatoria dei 20 pazienti

sottoposti a TKA con supporto di navigazione standard e della rotula.

Le acquisizioni relative a quest’ultima fase (post-operatoria) vengono registrate dopo la

sutura definitiva e dunque possono risultare più stabili e più vicine alla realtà, mentre le

acquisizioni relative alle fasi intraoperatorie vengono effettuate in seguito a una chiusura

provvisoria della capsula articolare mediante tre o quattro punti di sutura.

65

Capitolo 4

Risultati

In questo capitolo sono riportati venti casi in vivo, realizzati presso l‟Istituto Ortopedico

Rizzoli (Bologna), di artroplastica totale di ginocchio con il sistema di navigazione chirurgica

sperimentale, in aggiunta a quello standard, per lo studio del tracking rotuleo. Prima di tutto

sono riportati i risultati relativi all‟analisi cinematica (rotazioni e traslazioni) nella fase post-

operatoria sia dell‟articolazione tibio-femorale che di quella femoro-rotulea. L‟attenzione è

rivolta maggiormente al ripristino della corretta cinematica della PFJ, come scopo principale

di questa tesi. Successivamente, è stata riportata l‟analisi statistica dei dati delle cinematiche

post-operatorie del campione al fine di trarre considerazioni sulla ripetibilità inter-soggetto.

La power analysis è supportata dal numero consistente di soggetti sottoposti allo studio.

4.1 Risultati post-operatori

Per ciascun paziente sono state calcolate le rotazioni e le traslazioni dell‟articolazione tibio-

femorale e dell‟articolazione femoro-rotulea.

In riferimento all‟articolazione tibio-femorale verranno riportati:

- le rotazioni articolari, sui tre piani anatomici, della tibia rispetto al femore: la flesso-

estensione, l‟ab-adduzione e la rotazione interna-esterna, con le seguenti convenzioni:

(-)Est / Fless(+), (-)Ad / Ab(+) e (-)Es / In(+), espresse in gradi [°];

- le traslazioni della tibia rispetto al femore nelle direzioni medio-laterale, antero-

posteriore e prossimo-distale con le seguenti convenzioni: (-)Lat / Med(+), (-) Post /

Ant (+), (-)Dist / Pross(+) espresse in mm;

- le traslazioni del femore rispetto alla tibia, secondo le convenzioni esposte al punto

precedente.

CAPITOLO 4 RISULTATI

66

In riferimento all‟articolazione femoro-rotulea verranno riportati:

- le rotazioni articolari, sui tre piani anatomici, della rotula rispetto al femore: la flesso-

estensione, la rotazione medio-laterale e il tilt medio-laterale, con le seguenti

convenzioni: (-)Est / Fless(+), Tilt (-)Lat / Med(+) e Rotazione (-)Lat / Med(+),

espresse in gradi [°];

- le traslazioni della rotula rispetto al femore nelle direzioni medio-laterale, antero-

posteriore e prossimo-distale con le seguenti convenzioni: (-)Lat / Med (+), (-)Post /

Ant(+), (-)Dist / Pross(+), espresse in mm;

Tutte queste variabili cinematiche sono state rappresentate graficamente, per ogni paziente, in

funzione della flessione tibio-femorale, che rappresenta l‟unico grado di libertà imposto dal

chirurgo sul ginocchio del paziente. Inoltre sono state sovrapposte a una „curva di normalità‟

(in nero) e a una „fascia di normalità‟ (in giallo), che rappresentano rispettivamente il valore

medio e la deviazione standard calcolati per le diverse variabili cinematiche prima descritte

nel contesto di uno studio sul tracking rotuleo, mediante lo stesso sistema di navigazione

chirurgica, su cadaveri con ginocchia non patologiche [5]. Inoltre è da precisare che è stato

deciso di non normalizzare i dati delle cinematiche dei venti pazienti e di conseguenza tra i

risultati sono presenti dei fenomeni di offset tra le curve sperimentali e la curva di normalità.

Sono state adottate le stesse procedure per ogni paziente ma distinguiamo due serie

solamente per il tipo di protesi utilizzata: Nrg e Triathlon.

Articolazione tibio-femorale

Normalità ± Dev. standard


67

Rotazioni TFJ

Tibio-Femoral Flexion [deg]

(-)A

d/A

b(+

)-duction [

deg]

TFJ ADDUCTION/ABDUCTION

0 20 40 60 80 100 120 140-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

Fig. 4.1 Ab/Ad-duzione dell’articolazione tibio-femorale in funzione della flessione

Fig. 4.2 Rotazione interna-esterna dell’articolazione tibio-femorale in funzione della

flessione


(-)E

x/

In(+

) [d

eg]

KNEE IN/EX-ROTATION

0 20 40 60 80 100 120 140-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0


68

Traslazioni TFJ


(-)P

oste

rior/

Ante

rior(

+)

[mm

]

FEMORAL SHIFT ALONG TIBIAL A/P AXIS

0 20 40 60 80 100 120 140-30

-20

-10

0

10

20

30


(-)P

oste

rior/

Ante

rior(

+)

[mm

]

TIBIAL SHIFT ALONG FEMORAL A/P AXIS

0 20 40 60 80 100 120 140-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Fig. 4.3 Traslazione antero-posteriore del femore nel sistema anatomico di tibia in

funzione della flessione tibio-femorale

Fig. 4.4 Traslazione antero-posteriore della tibia nel sistema anatomico del femore in



69


(-)L

ate

ral/M

edia

l(+

) [m

m]

FEMORAL SHIFT ALONG TIBIAL M/L AXIS

0 20 40 60 80 100 120 140-15

-10

-5

0

5

10

15


(-)L

ate

ral/M

edia

l(+

) [m

m]

TIBIAL SHIFT ALONG FEMORAL M/L AXIS

0 20 40 60 80 100 120 140-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

Fig. 4.5 Traslazione medio-laterale del femore nel sistema anatomico di tibia in


Fig. 4.6 Traslazione medio-laterale della tibia nel sistema anatomico del femore in



70


(-)D

ista

l/P

roxim

al(+

) [m

m]

FEMORAL SHIFT ALONG TIBIAL P/D AXIS

0 20 40 60 80 100 120 1400

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50


(-)D

ista

l/P

roxim

al(+

) [m

m]

TIBIAL SHIFT ALONG FEMORAL P/D AXIS

0 20 40 60 80 100 120 140-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

Fig. 4.8 Traslazione prossimo-distale della tibia nel sistema anatomico di femore in


Fig. 4.7 Traslazione prossimo-distale del femore nel sistema anatomico di tibia in



71

Articolazione femoro-rotulea

Rotazioni PFJ


(-)E

xte

nsio

n/F

lexio

n(+

) [d

eg]

PATELLAR FLEXION

0 20 40 60 80 100 120 140-20

0

20

40

60

80

100

120


(-)L

ate

ral/M

edia

l(+

) [d

eg]

PATELLAR ROTATION

0 20 40 60 80 100 120 140-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

Fig. 4.9 Flesso-estensione della rotula in funzione della flessione tibio-femorale

Fig. 4.10 Rotazione interna/esterna della rotula in funzione della flessione tibio-

femorale


72

Traslazioni PFJ


(-)L

ate

ral/M

edia

l(+

) [d

eg]

PATELLAR TILT

0 20 40 60 80 100 120 140-40

-30

-20

-10

0

10

20


(-)P

oste

rior/

Ante

rior(

+)

[mm

]

PATELLAR SHIFT ALONG FEMORAL A/P AXIS

0 20 40 60 80 100 120 140-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

Fig. 4.11 Tilt della rotula in funzione della flessione tibio-femorale

Fig. 4.12 Traslazione antero-posteriore della rotula nel sistema anatomico di femore

in funzione della flessione tibio-femorale


73

TFJ flexion [deg]

(-)L

ate

ral/M

edia

l(+

) [m

m]

PATELLAR SHIFT ALONG FEMORAL M/L AXIS

0 20 40 60 80 100 120 140-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8


(-)D

ista

l/P

roxim

al(+

) [m

m]

PATELLAR SHIFT ALONG FEMORAL P/D AXIS

0 20 40 60 80 100 120 140-20

-10

0

10

20

30

40

Fig. 4.13 Traslazione medio-laterale della rotula nel sistema anatomico di femore in


Fig. 4.14 Traslazione prossimo-distale della rotula nel sistema anatomico di femore in



74

4.2 Osservazioni cinematiche

Per le traslazioni e le rotazioni dell‟ articolazione tibio-femorale e femoro-rotulea sono stati

rilevati andamenti ed escursioni aventi valori complessivamente concordi con quelli che

caratterizzano la “fascia di normalità”.

Articolazione tibio-femorale

L‟adduzione e abduzione, (Fig. 4.1) per i primi gradi di flessione, si mantiene entro un

range di ±4°, per i restanti gradi questa cinematica rimane all‟interno della fascia di normalità

ad eccezione dei casi di outlier (paziente #4 serie 1 e paziente #3 serie 2). Questo indica che

la deformità in varo o in valgo è stata corretta in quasi tutti i pazienti.

Per quanto riguarda la rotazione interna-esterna della tibia sul femore, durante la flessione del

ginocchio (Fig. 4.2), possiamo affermare che è stata recuperata nel 100% deli casi in quanto

tutte le curve presentano il giusto trend e mostrano la tipica rotazione interna che si verifica

soprattutto nei primi gradi di flessione.

Le traslazioni del femore lungo i tre assi della tibia e le traslazioni della tibia lungo i tre assi

del femore hanno mostrato andamenti simili alla curva di normalità. I valori delle traslazioni

tibio-femorali sono importanti per la valutazione del posizionamento delle componenti

protesiche. Il ripristino della linea articolare è un requisito fondamentale, direttamente

collegato alla corretta cinematica articolare, in quanto gioca un ruolo chiave sull‟entità delle

forze di contatto. Un inserto di polietilene non adeguatamente spesso o il posizionamento

troppo distale della componente femorale (ad esempio a causa di una ridotta osteotomia) o

una sovrastima della sua taglia, potrebbero causare un abbassamento della linea articolare.

Tale fenomeno porterebbe a un aumento delle forze di contatto, soprattutto a livello

dell‟articolazione femoro-rotulea e a complicazioni post-operatorie come dolore, usura del

polietilene o a una riduzione della funzionalità articolare.

Nella traslazione antero-posteriore della tibia rispetto al femore (Fig. 4.4), possiamo notare

un completo ripristino della linea articolare tra femore e tibia in quanto tutti i pazienti

seguono il trend della curva di normalità. Questo fenomeno è osservabile durante la flessione

lungo l‟asse antero-posteriore e durante l‟estensione lungo l‟asse prossimo-distale. La

traslazione antero-posteriore del femore sulla tibia è recuperata, le curve infatti mostrano un

corretto andamento durante la flessione (Fig. 4.3).

Le traslazioni in direzione prossimo-distale e medio-laterale sono anch‟esse da tenere in

considerazione per il corretto posizionamento delle componenti protesiche. Nei venti

pazienti, la traslazione medio-laterale del femore rispetto alla tibia (Fig. 4.5) rimane stabile in


75

un intervallo da -5° a 11° e differisce di molto dall‟andamento della curva di normalità.

Questo fenomeno è giustificato dal fatto che il tipo di protesi utilizzata per questo studio è

dotata di un pivot centrale mentre le fasce di normalità sono state ricavate da gambe

cadaveriche sane. Di conseguenza, le curve ottenute presentano una traslazione medio-

laterale quasi nulla, del femore rispetto alla tibia, durante la flessione. Tale fenomeno si

rispecchia sulla traslazione medio-laterale della tibia rispetto al femore (Fig. 4.6) le curve

presentano il giusto trend, con una leggera tendenza mediale. Inoltre, a causa dell‟utilizzo di

una protesi a pivot centrale, si potrebbero verificare dei casi di tensionamento nel comparto

laterale del ginocchio, in tale situazione il chirurgo può decidere di effettuare un lateral

release.

Le curve relative alla traslazione prossimo-distale del femore rispetto alla tibia (Fig. 4.7) e la

traslazione prossimo-distale della tibia rispetto al femore (Fig. 4.8) mostrano un giusto

andamento durante la flessione del ginocchio e quindi possiamo affermare che anche questa

cinematica è stata recuperata.

Articolazione femoro-rotulea

Prima di descrivere le cinematiche relative all‟articolazione femoro-rotulea, bisogna precisare

che durante i primi 30° di flessione tibio-femorale, la rotula risulta flottante, sia perché non si

articola ancora con la troclea femorale, e sia perché il movimento di flessione è imposto dal

chirurgo sul paziente anestetizzato nel quale è dunque assente l‟attività muscolare. Per questo

motivo, in tale intervallo e in quasi tutte le figure relative all‟articolazione femoro-rotulea, si

può vedere come la fascia di normalità sia più ampia.

La flessione rotulea (Fig. 4.9) rappresenta, concordemente con la letteratura, circa il 78%

della flessione tibio-femorale. Tutti gli andamenti si inseguono bene e rientrano nella fascia

di normalità, anche se potrebbe esserci un offset (visibili nei grafici relativi ai pazienti #1

serie 1, #10 serie 1 e #6 serie 2) a causa della variabilità dovuta alla calibrazione dell‟apice

distale della rotula.

La rotazione rotulea (Fig. 4.10) è la cinematica più critica in quanto dipende dal grado di varo

e valgo del paziente. La rotazione della rotula deve essere contenuta soprattutto se essa ruota

lateralmente in quanto se ho un ginocchio displasico allora posso avere sublussazione della

stessa.

Nel tilt della rotula (Fig. 4.11) le curve sono leggermente traslate medialmente sia per effetto

dell‟offset che per la copertura della capsula nella parte mediale con punti di sutura (i quali


76

risultano essere più rigidi dei legamenti). Un aspetto importante di questa cinematica è quello

di evitare un tilt troppo laterale per scongiurare i rischi sopra menzionati.

Anche per quanto riguarda le traslazioni della rotula sul femore, si può osservare l‟effetto

positivo delle azioni chirurgiche sulla cinematica rotulea. Nella traslazione antero-posteriore

della rotula (Fig. 4.12) le curve hanno una leggera tendenza posteriore la quale può essere

dovuta ad una diversa morfologia tra i soggetti. L‟aspetto importante di questa cinematica è

quello di recuperare lo spessore originale della rotula del paziente al fine di mantenere il

braccio di leva primitivo nei primi 30° di flessione.

La traslazione medio-laterale della rotula (Fig. 4.13) risente lievemente del tilt ma nel

complesso le curve hanno il giusto trend. In questa cinematica si può notare come, per certi

pazienti, i valori non rientrano all‟interno della fascia di normalità. Per comprendere meglio

la situazione post-operatoria è necessario valutare tale cinematica nella fase pre-operatoria.

Prendendo come esempio il paziente #6 serie 2, la fase pre-operatoria risultava essere molto

critica in quanto la rotula era molto laterale, con il rischio di lussazione della stessa. Durante

l‟intervento, grazie al supporto del tracking rotuleo, il chirurgo ha recuperato il più possibile

la cinematica di tale paziente.

Le curve relative alla traslazione prossimo-distale della rotula (Fig. 4.14), nei primi 30° non

rientrano nella fascia di normalità perché quest‟ ultima è stata ottenuta da cadaveri i quali

sono stati sottoposti inizialmente a una tensione di 100 N applicati alla rotula. In sala

operatoria invece è stato utilizzato un laccio emostatico, che oltre a svolgere la sua normale

funzione, forniva un lieve tensionamento muscolare ma tuttavia non sostituiva i 10 Kg

applicati in-vitro. In ogni modo in questa cinematicha, dopo i 30° di flessione, si può

osservare il completo ripristino dell‟andamento normale: tutte le curve mostrano il giusto

trend e si collocano all‟interno della fascia di normalità.

4.3 Ripetibilità inter-soggetto

Dopo aver ottenuto le figure cinematiche sopra riportate, è stata valutata la ripetibilità inter-

soggetto dello studio su un campione consistente di pazienti con potenza statistica dell‟ 80%.

A partire dai dati cinematici della fase post-operatoria dei venti pazienti, è stata calcolata la

media della deviazione standard per ogni grado flessione sia per l‟articolazione tibio-

femorale che per l‟articolazione femoro-rotulea. La ripetibilità inter-soggetto, in termini di

deviazione standard è stata valutata con i rispettivi valori medi delle curve tra i vari soggetti

per ogni grado della flessione della TFJ (Tabella 4.1). La ripetibilità intra-soggetto invece è


77

stata calcolata in un‟analisi precedente alla presente solamente per i primi dieci pazienti con

valori di 1,5° per le rotazioni e 1.5 mm per le traslazioni.

TFJ PFJ

Ro

tazi

on

i [

°]

Flesso-estensione N/A Flesso-estensione 12,3

Ab-adduzione 2,5 Tilt medio-laterale 7,4

Rotazione interna-esterna 5,2 Rotazione medio-laterale 8,9

Tras

lazi

on

i [m

m]

Traslazione antero-posteriore 3,9 Traslazione antero-posteriore 5,3

Traslazione medio-laterale 3,3 Traslazione medio-laterale 3,2

Traslazione prossimo-distale 3,5 Traslazione prossimo-distale 3,6

In generale le deviazioni standard risultano concordi con la letteratura [5]. I valori

leggermente elevati di deviazioni standard della flessione, tilt e rotazione della rotula sono

giustificati dal fatto che i dati dei pazienti non sono stati, per scelta, normalizzati e quindi i

valori sono dipendenti dall‟anatomia del paziente e dal sistema di riferimento rotuleo

adottato. Dalle curve delle cinematiche (Fig. 4.9, 4.10, 4.11) notiamo una grande variabilità

ma quello che ci interessa dimostrare è che le curve seguano lo stesso trend, anche se

presentano offset diversi.

Le restanti cinematiche mostrano valori di deviazioni standard abbastanza contenuti, in

particolare tutte le traslazioni lungo i tre assi dell‟articolazioni tibio-femorale e femoro-

rotulea. La traslazione medio-laterale della rotula è anch‟essa soggetta a fattori che

dipendono dal soggetto stesso e quindi alla calibrazione durante i singoli interventi.

Successivamente è stato calcolato il coefficiente di determinazione (R2) riportati in tabella

4.2, a partire dal calcolo del coefficiente di correlazione (R). Il coefficiente di determinazione

misura l‟ammontare di variabilità di una variabile spiegata dalla sua relazione con un‟altra

variabile. Nel caso specifico il coefficiente R2 indica in che percentuale una variabile (un

grado di libertà) è correlata con un'altra. Si è scelto di utilizzare come soglia del coefficiente

di determinazione 0.50.

Tabella 4.1 La tabella riporta, per ciascun grado di liberà della TFJ e PFJ, i valori medi delle

deviazioni standard calcolati per ogni grado di flessione dell’articolazione tibio-femorale. Per

l’articolazione tibio-femorale è stata calcolata la deviazione standard per i movimenti del

femore rispetto alla tibia.


78

Rotazioni TFJ [°]

Traslazioni TFJ [mm]

Rotazioni PFJ [°]

Traslazioni PFJ [mm]

Est/ Fles

Ab/ Ad

RotEs/ In

Post/Ant

Lat/Med

Dist/Pros

Est/ Fles

Tilt Med/

Lat

RotMed/Lat

Post/Ant

Lat/Med

Dist/ Pros

Ro

tazi

on

i

TFJ

[°] Est/Fles 1,00 0,77 0,11 0,63 0,09 0,97 0,99 0,83 0,68 0,98 0,22 0,90

Ab/Ad 0,77 1,00 0,13 0,73 0,17 0,71 0,82 0,50 0,75 0,83 0,02 0,62

Rot Es/In 0,11 0,13 1,00 0,49 0,29 0,03 0,15 0,01 0,25 0,17 0,03 0,00

Tras

lazi

on

i

TFJ

[mm

] Post/Ant 0,63 0,73 0,49 1,00 0,40 0,48 0,73 0,28 0,75 0,76 0,00 0,34

Lat/Med 0,09 0,17 0,29 0,40 1,00 0,04 0,13 0,01 0,33 0,14 0,25 0,01

Dist/Pros 0,97 0,71 0,03 0,48 0,04 1,00 0,93 0,89 0,60 0,91 0,28 0,97

Ro

tazi

on

i

PFJ

[°]

Est/Fles 0,99 0,82 0,15 0,73 0,13 0,93 1,00 0,76 0,74 1,00 0,15 0,84

Tilt Med/Lat 0,83 0,50 0,01 0,28 0,01 0,89 0,76 1,00 0,52 0,73 0,48 0,90

Rot Med/Lat 0,68 0,75 0,25 0,75 0,33 0,60 0,74 0,52 1,00 0,75 0,01 0,48

Tras

lazi

on

i

PFJ

[m

m] Post/Ant 0,98 0,83 0,17 0,76 0,14 0,91 1,00 0,73 0,75 1,00 0,13 0,81

Lat/Med 0,22 0,02 0,03 0,00 0,25 0,28 0,15 0,48 0,01 0,13 1,00 0,35

Dist/Pros 0,90 0,62 0,00 0,34 0,01 0,97 0,84 0,90 0,48 0,81 0,35 1,00

Dalla tabella 4.2 possiamo provare che la flessione del ginocchio è correlata a quasi tutte le

variabili eccetto che alla rotazione interna-esterna dell‟articolazione tibio-femorale. Tale

fenomeno però può essere giustificato dal fatto che, come già discusso, la protesi utilizzata

per la TKA dei soggetti è dotata di un pivot centrale. Inoltre è da precisare che il chirurgo

mentre effettuava i cicli di flesso-estensione del ginocchio del paziente, durante la

registrazione della cinematica, potrebbe aver bloccato il naturale movimento di rotazione

interna-esterna della TFJ: giustificando un valore così basso del coefficiente di

determinazione tra le due variabili. La rotazione della rotula, invece, è ben correlata alla

flessione del ginocchio. Dai risultati è emerso che la traslazione antero-posteriore del femore

rispetto alla tibia è correlata alla traslazione antero-posteriore della rotula rispetto al femore.

Anche la traslazione prossimo-distale della TFJ è correlata alla traslazione prossimo-distale

della PFJ confermando il fatto che la rotula segue esattamente la geometria del femore. Dai

risultati osserviamo che la traslazione medio-laterale del femore rispetto alla tibia non è

correlata significativamente a nessuna variabile. Tale manifestazione deriva dal fatto che la

Tabella 4.2 La tabella riporta, per ciascun grado di liberà della TFJ e PFJ, i coefficienti di

determinazione. Sulla matrice sono evidenziati in rosso i valori di R2 che superano la soglia

fissata a 0.50. Per l’articolazione tibio-femorale è stato calcolato il coefficiente di

determinazione per i movimenti del femore rispetto alla tibia.


79

protesi utilizzata per i pazienti, sottoposti al presente studio, è di tipo PS (Capitolo 2) e di

conseguenza molto vincolata in direzione medio-laterale.

Il valori trovati sono nella maggior parte dei casi concordi con la letteratura [5] ad eccezione

della correzione del tilt della rotula con la rotazione interna-esterna della TFJ. Queste due

cinematiche mostrano (Tabella 4.2) un coefficiente di determinazione molto basso in quanto

la rotula non è stata precaricata di 100 N, come nello studio in- vitro.

È stato effettuato un calcolo del livello di significatività del coefficiente di determinazione

esprimendo il p-value riportato in Tabella 4.3.

Rotazioni TFJ [°]

Traslazioni TFJ [mm]

Rotazioni PFJ [°]

Traslazioni PFJ [mm]

Est/ Fles

Ab/ Ad

RotEs/ In

Post/Ant

Lat/Med

Dist/Pros

Est/Fles

Tilt Med/

Lat

RotMed/Lat

Post/Ant

Lat/Med

Dist/ Pros

Ro

tazi

on

i TF

J [°

] Est/Fles 1,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

Ab/Ad 0,00 1,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,14 0,00

Rot Es/In 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 0,05 0,00 0,40 0,00 0,00 0,05 0,81

Tras

lazi

on

i TF

J [m

m] Post/Ant 0,00 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,57 0,00

Lat/Med 0,00 0,00 0,00 0,00 1,00 0,02 0,00 0,38 0,00 0,00 0,00 0,31

Dist/Pros 0,00 0,00 0,05 0,00 0,02 1,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

Ro

tazi

on

i P

FJ [

°] Est/Fles 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

Tilt Med/Lat 0,00 0,00 0,40 0,00 0,38 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 0,00 0,00

Rot Med/Lat 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 1,00 0,00 0,18 0,00

Tras

lazi

on

i P

FJ [

mm

]

Post/Ant 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00

Lat/Med 0,00 0,14 0,05 0,57 0,00 0,00 0,00 0,00 0,18 0,00 1,00 0,00

Dist/Pros 0,00 0,00 0,81 0,00 0,31 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 1,00

Nel complesso le correlazioni sono significative in quanto per la maggior parte dei gradi di

libertà corrispondono a valori di p < 0.05 (Tabella 4.3).

Tabella 4.3 La tabella riporta, per ciascun grado di liberà della TFJ e PFJ, il p-value della

significatività del calcolo dei coefficienti di determinazione. Sulla matrice sono evidenziati in

rosso i valori di p-value <0.05. Per l’articolazione tibio-femorale è stato calcolato il p-value

per i movimenti del femore rispetto alla tibia.

80

Capitolo 5

Discussione dei risultati e conclusioni

5.1 Discussione dei risultati

5.1.1 Analisi cinematica e statistica

I risultati ottenuti e riportati nel capitolo precedente provengono da dati acquisiti tramite

procedure e strumenti ad alta precisione e ripetibilità, dati trattati poi adottando tutte le attuali

convenzioni biomeccaniche di cinematica articolare. Tutto ciò ha portato alla fine a risultati

caratterizzati da grande affidabilità. I grafici mostrano, nella maggior parte dei casi, che le

cinematiche naturali delle due articolazioni, tibio-femorale e femoro-rotulea, dei venti

pazienti analizzati sono state recuperate. Le curve post-operatorie nel complesso rientrano

dentro le fasce di normalità tranne che per alcuni casi, circa il 20%, nei quali però le

condizioni iniziali (pre-operatorie) mostravano distorsioni particolarmente critiche e, di

conseguenza, il recupero della cinematica articolare non poteva essere totale.

Il confronto dei risultati ottenuti in sala operatoria con quelli ottenuti in-vitro su ginocchia

normali è stato effettuato solo in termini qualitativi, per mostrare inizialmente in quali

direzioni sarebbero dovute procedere i pattern di cinematica delle due articolazioni, al fine di

ottenere, attraverso passi successivi dell’intervento, un movimento finale che sia il più

possibile naturale. I risultati complessivamente sono molto incoraggianti e possono

contribuire a promuovere lo ricerca in questa direzione per migliorare le criticità rimaste.

Dall’analisi statistica è emerso che i valori delle deviazioni standard inter-soggetto e dei

coefficienti di correlazioni tra le cinematiche sono concordi con la letteratura [5]. In

particolare le variabili sono correlate significativamente con la flessione del ginocchio. Non è

stata registrata nessuna correlazione tra tilt rotuleo e rotazione interna esterna della TFJ in

CAPITOLO 5 DISCUSSIONE DEI RISULTATI E CONCLUSIONI

81

quanto nel presente studio la rotula non è stata precaricata di 100 N, come invece lo era nelle

prove in-vitro. I valori leggermente elevati di deviazione standard sono giustificati dal fatto

che i dati dei pazienti non sono stati normalizzati e quindi i risultati presentano un offset

dovuto all’anatomia del paziente ed al sistema di riferimento rotuleo.

5.1.2 Limiti

Nonostante i vantaggi apportati da questa nuova procedura sperimentale ai fini della

correttezza dell’impianto, bisogna sottolineare alcuni aspetti critici. Prima di tutto, l’analisi

di tutte le cinematiche si basa sul movimento di flesso-estensione che il chirurgo impone

manualmente al ginocchio del paziente anestetizzato, dunque privo di controllo muscolare.

Questa operazione manuale può però provocare delle ‘distorsioni’ nei risultati in quanto,

mentre si effettua movimento di flesso-estensione, è facile che il chirurgo, involontariamente,

imponga delle torsioni all’articolazione.

Tuttavia, il principale svantaggio riscontrato in questa nuova tecnica è l’aumento dei tempi

dell’intervento in quanto occorre attuare una serie di procedure aggiuntive per l’applicazione

e l’acquisizione del tracker rotuleo. Nel presente studio, è stato necessario affiancare due

navigatori chirurgici, quello standard e quello sperimentale allungando i tempi chirurgici di

circa mezz’ora rispetto alla sola procedura standard. Per questo motivo, e dunque per evitare

rischi di emboli per il paziente, si è scelto di non utilizzare il laccio o, comunque, di

utilizzarlo solo durante alcune parti dell’intervento. Un’altra limitazione tecnica deriva dalla

necessità di suturare provvisoriamente la capsula articolare dopo l’impianto delle componenti

di prova per la registrazione di cinematiche più attendibili. Queste procedure, anche se

relativamente semplici, allungano ulteriormente i tempi e aumentano la complessità della

procedura.

5.1.3 Sviluppi futuri

Il sistema di navigazione della rotula utilizzato in questo studio è ancora in fase sperimentale

e pertanto si può pensare di arricchire il software con elementi aggiuntivi, nel senso di nuovi

parametri e nuovi tool grafici da mettere a disposizione del chirurgo e che potrebbero fornire

una guida ulteriore per la realizzazione di impianti sempre più precisi. Inoltre, per il futuro si

auspica di realizzare, mediante gli opportuni test di validazione, gli strumenti chirurgici ad

hoc per la rotula e la versione definitiva del software in modo da integrarlo al sistema di

navigazione standard. In questo modo, utilizzando un solo navigatore, i tempi si ridurrebbero

inevitabilmente, così come la complessità della procedura.


82

In questo progetto sono stati aggiunti anche dei controlli fluoroscopici sui singoli pazienti

dopo sei mesi dall’intervento. Questi esami hanno come scopo l’analisi della cinematica delle

componenti protesiche (dunque dell’articolazione protesizzata) durante compiti motori della

vita quotidiana. Inoltre essi permettono di valutare dopo sei mesi dall’intervento l’efficacia

della procedura e dunque il successo dell’impianto, verificando l’eventuale presenza di

peggioramenti della mobilità dell’impianto protesico e anche delle prestazioni del paziente.

5.2 Conclusioni

Nelle protesi totali di ginocchio le complicanze all’articolazione femoro-rotulea, conseguenti

al malallineamento di tale articolazione, rappresentano una delle principali cause di

insuccesso. Da qui la richiesta di un sistema che riesca a misurare gli effetti delle azioni

chirurgiche sulla cinematica femoro-rotulea. Quest’ultima, infatti, viene influenzata da

diverse variabili, come il posizionamento delle componenti protesiche del femore e della

rotula, la quota e l’orientamento dell’osteotomia rotulea, le cui misure, se monitorate nel

corso dell’intervento, offrono al chirurgo un riscontro in real-time delle azioni da lui

pianificate.

Recentemente è stato testato in-vivo un sistema si navigazione chirurgico sperimentale,

pensato per la rotula, durante la TKA portando a buoni risultati. Tuttavia è stato necessario,

per arricchire e completare lo studio, esaminare un numero maggiore di casi.

In questo lavoro di tesi è stato dimostrato che la tecnica di navigazione della rotula, a

supporto della navigazione standard, è utile al chirurgo, durante la TKA, per ristabilire nel

paziente una cinematica più fisiologica. Si è arrivati a tale conclusione grazie all’analisi

cinematica, sia dell’articolazione tibio-femorale che di quella femoro-rotulea, di un campione

di pazienti sottoposti a questa nuova tecnica. I risultati ottenuti da questa analisi post-

operatoria, e dal confronto con i rispettivi valori in-vitro hanno confermato il ripristino della

corretta cinematica articolare dopo l’impianto.

La novità riportata in tale elaborato riguarda soprattutto lo studio del tracking rotuleo

effettuato in-vivo e con un campione notevole di pazienti. Da quest’ultimo siamo in grado di

trarre considerazioni più attendibili dal punto di vista statistico.

La rilevanza clinica risiede nella possibilità di individuare intra-operatoriamente i

comportamenti patologici delle due articolazioni, tibio-femorale e femoro-rtotulea, prese in

esame ed effettuare gli aggiustamenti più opportuni per poterli correggere in fase di

allineamento protesico.


83

I risultati ottenuti sono molto incoraggianti e rappresentano un primo passo per arrivare, in

futuro, ad un sistema di navigazione che includa anche l’articolazione femoro-rotulea al fine

di ottenere una stima più completa della cinematica del ginocchio.

84

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Ringraziamenti

Prima di tutto devo ringraziare il prof. Alberto Leardini che mi ha dato la possibilità di

realizzare la mia esperienza di tirocinio e di tesi nel Laboratorio di Analisi del Movimento

presso l’Istituto Ortopedico Rizzoli.

Al Prof. Claudio Belvedere che mi ha aiutato nella mia attività di tirocinio e successivamente

mi ha supportato durante la stesura della tesi.

All’ing. Silvia Tamarri, all’ing. Claudio Caravaggio e all’ing. Alessia Giangrande per avermi

fatto passare un’esperienza serena e coinvolgente all’interno del Laboratorio.

Devo ringraziare anche le mie amiche e compagne di università Valentina, Sara e Francesca

con le quali ho trascorso momenti belli ma anche difficili e alle mie amiche storiche Elisa,

Anita e Ilaria che mi sono state sempre vicine.

Il ringraziamento più importante va alla mia famiglia, ai miei genitori Patrizia e Francesco e

ai miei fratelli Elisa, Enrico e Sara. Grazie a loro ho potuto raggiungere questo traguardo.

L’ultimo ringraziamento va al mio ragazzo Karim che mi ha sempre sostenuta nelle mie

scelte e mi è stato vicino anche quando eravamo lontani.

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